книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

показано на рис. 3.35 внизу. И здесь отраженный сигнал харак­ теризует спектральную составляющую на частоте, лежащей в боковой полосе, а не спектральную составляющую основной частоты.

Рис. 3.35. Искажение спектра прямоугольного импульса в эффективной по­ лосе частот (внизу). Сплошная кривая — падающий импульс, пунктирная — отраженный. Импульс отражен от резонансного поглотителя с коэффициентом отражения, показанным на верхнем рисунке.

Ошибки, обусловленные смещением пиковой частоты в спек­ тре от основной, можно уменьшить, используя очень узкие при­ емные строб-импульсы и совмещая приемный строб-импульс- с серединой установившейся части импульса, как показано двумя импульсами на входе и выходе приемного стробируемого блока (рис. 3.36). Сумма боковых частот образует сигнал, ко­ торый включает в себя переходную часть импульса, т. е. на­ чальную р конечную части импульса, где импульс формируется или спадает. На рис. 3.37 показано, как в результате сложения

установившегося сигнала основной частоты f0 и сигнала, рав­ ного сумме сигналов.с боковыми частотами, получаются перио­ дические импульсы. Выделение с помощью строб-импульса сред­ ней части импульса позволяет устранить боковые частоты и скорректировать сдвиг пиковой частоты.

Генератор

Усилитель

=ЦШЖШ/

Модулятор

и—“ЛАМг-

Усилитель

Рис. 3.36. Типичные формы сигналов в пяти различных точках измерительной установки.

Типичные импульсы в пяти точках измерительной установки показаны на рис. 3.36.

Из рис. 3.33 и 3.37 может показаться, что ошибки, обуслов­ ленные большими амплитудами частотных составляющих в бо­ ковых полосах, можно устранить с помощью фильтров. Для этого после устранения интерферирующих сигналов с помощью стробирования в приемном тракте импульс можно пропустить через фильтр с центральной частотой / 0 и с достаточно узкой полосой, для того чтобы исключить или по крайней мере осла­ бить боковые частоты. Теоретически из рис. 3.37 следует, что (в) — (б) = (а), т. е. импульсный сигнал можно преобразовать снова в непрерывный! К сожалению, это возможно лишь теоре­ тически. Узкополосные фильтры имеют высокие добротности

Q и во многих отношениях ведут себя как сильно резонансные преобразователи. Некоторые типы фильтров действительно яв­ ляются резонансными преобразователями. Когда Q велико, время переходного процесса, показанное на рис. 3.31, намного

Рис. 3.37. Установившийся непрерывный сигнал (а) с частотой f0 склады­ вается с сигналом (б), состоящим из суммы всех боковых частот, в результате чего получается последовательность импульсов (б), (а) + (б) = (в).

Рис. 3.38. Нарастание амплитуды повторяющихся импульсов до квазиустано-

щихся импульсов к амплитуде непрерывного сигнала.

больше, чем т и Т. В таких случаях фильтр не передает уста­ новившийся сигнал с частотой /о и с амплитудой, равной ампли­ туде импульса на входе.

Это иллюстрирует рис. 3.38. Амплитуда сигнала за время т возрастает только до малой доли установившегося значения, и после этого импульс обрывается. Амплитуда медленно спадает. Через Т секунд второй импульс увеличивает амплитуду, но опять-таки только на малую величину, а потом импульс снова кончается. Амплитуда спадает, но с большей скоростью, чем после первого импульса. Этот процесс продолжается до тех пор, пока увеличение сигнала за время т не станет равным умень­ шению его за время Т — т. При этом достигается квазиустановившееся состояние с амплитудой, составляющей лишь малую долю амплитуды истинного установившегося значения.

Отношение х/Т, выраженное в процентах, называется коэффи­ циентом заполнения и характеризует время, в течение которого преобразователь возбуждается. Он становится важным парамет­ ром, когда преобразователи возбуждаются с высокими уров­ нями мощности, поскольку ограничения по мощности для преобразователей определяются средней мощностью за период времени, больший длительности импульса. Например, преобра­ зователь с максимальной допустимой мощностью 1 кВт в не­ прерывном режиме при отсутствии других ограничений может работать на входной мощности 10 кВт при х/Т=10%.

3.9. ИЗМЕРЕНИЕ БОЛЬШИХ СИГНАЛОВ

Некоторые излучатели намеренно используются при уров­ нях сигналов, превосходящих диапазон их линейности. В ре­ зультате получается искаженный выходной сигнал, содержащий гармонические составляющие, что математически описывается уравнением (3.22). С гармоническими искажениями здесь сми­ ряются, поскольку основной задачей является получение боль­ шого выходного сигнала. Такие преобразователи следует оце­ нивать при конкретных уровнях сигнала, на которых он будет практически использоваться. В формулировке общепринятого определения чувствительности, импеданса и других величин предполагается, что преобразователь линеен. При измерениях за пределами диапазона линейности эти общепринятые понятия, строго говоря, неприменимы, но тем не менее ими пользуются. При таком использовании необходимо уточнять режим и ука­ зывать напряжения или силу тока, при которых сделаны изме­ рения. Эти измерения относятся только к основной частоте, по­ этому нужно дать также некоторую оценку степени искажения формы сигнала или спектрального содержания гармоник.

Мощные непрерывные сигналы можно ослабить, отфильтро­ вать гармонические составляющие и после этого проводить из­ мерения с помощью обычных методов и приборов. Однако мощ­ ные нелинейные преобразователи почти всегда возбуждаются

импульсными сигналами с малым коэффициентом заполнения. Короткие импульсы и узкополосные фильтры несовместимы (разд. 3.8). Поэтому возникают трудности в измерении амплитуды сигнала искаженной формы без полосовых фильтров. Более того, если требуется измерить импеданс или входную мощность, то нужно измерить фазовый угол между током и напряжением на основной частоте. При измерении импеданса или мощности все измерительные приборы, такие, как мосты, фазометры, векторметры, а также измерители мощности, измерители

Рис. 3.39. Нулевая схема для измерения напряжения, тока и фазы, когда преобразователь возбуждается мощным импульсным, сигналом.

угла Z и т. д., несовершенны в отношении одной из следующих характеристик: максимальная допустимая мощность, частотный диапазон, диапазон измеряемых импедансов, чувствительность к гармоникам, способность работать в импульсном режиме.

Один из успешно применяемых методов иллюстрирует упро­ щенная охема на рис. 3.39 [15]. Датчиками тока и напряжения преобразователя служат понижающие трансформаторы тока, со­ стоящие из тороидальной катушки, окружающей одиночный про­ водник. Одновременно с помощью такого же датчика снимается опорный непрерывный сигнал. Оба эти сигнала складываются, и результат воспроизводится на экране осциллографа. Опорный сигнал содержит только основную частоту. Амплитуда и фаза опорного сигнала регулируются так, чтобы суммарный сигнал на экране осциллографа был равен нулю в установившейся части импульса. Как показано на рис. 3.37, боковые частоты в установившейся части импульса взаимно уничтожаются и от-

излучения непосредственно в приемный тракт помимо акусти­ ческого пути распространения. Сигнал волновой помехи прохо­ дит путь, отличный от того, по которому распространяется пря­ мой измеряемый сигнал, — по этой и ряду других причин он от­ личается от прямого сигнала по амплитуде и фазе, но всегда имеет одинаковую с ним частоту. Помеха распознается по регу­ лярным периодическим изменениям амплитуды в зависимости от частоты, что показано на рис. 3,41. Частотный интервал А/

Рис. 3.41. Зависимость выходного напряжения гидрофона от частоты, иллю­ стрирующая типичную осциллирующую картину интерференционной помехи, получающуюся под влиянием поверхностных отражений. Жирной кривой по­ казана измеренная сумма прямого и отраженных сигналов, пунктиром — прямой сигнал.

можно использовать как путеводную нить для определения типа и источника волновой помехи.

Если две волны, создаваемые одним и тем же источником, проходят пути, которые отличаются друг от друга на Ах, то раз­

рости звука. Если Ах равно целому числу волн, то волны ин­ терферируют конструктивно, или складываются. Если Ах со­ ставляет нечетное число полуволн, то волны интерферируют де­ структивно, т. е. вычитаются. При изменении частоты волны

отражателями, и их диафрагмы должны быть параллельны между собой с точностью до долей длины волны. Конечно, стоя­ чие волны обычно возникают в верхней части звукового и

Рис. 3.43. Кривые для распознавания помех. 1 — наводка: Af = c/d — частот­

в нижней части ультразвукового диапазонов частот. Сигнал на­ водки обычно не зависит от величины амплитуды акустического сигнала, поэтому ее присутствие более заметно при малом аку­ стическом сигнале. Например, при градуировке резонансного гидрофона наводка может быть заметна ниже и выше резо­ нанса, но не на самом резонансе, где акустический сигнал велик и отношение амплитуды наводки к амплитуде сигнала мало.

Описанные характеристики помех помогают распознавать их и исключать их влияние.

В мелких озерах имеются две отражающие границы: дно и поверхность. В этом случае интерференция особенно ярко вы­ ражена, и обычно она определяет низшую рабочую частоту градуировки. На рис. 3.44 приведен пример экспериментальных результатов. Сигнал помехи в действительности является сум­ мой многократных отражений от дна и поверхности [3]. Здесь по-прежнему имеется заметный интервал периодичности А/ по частоте. На рис. 3.44 Д/ = 200 Гц. Амплитуда результирующего

Рис. 3.44. Выходное напряжение гидрофона в случае, когда излучатель и гидрофон установлены на равных расстояниях от поверхности воды и днаг покрытого пузырьками. Расстояние между преобразователями равно 7в глу­ бины водоема. Чувствительности излучателя и гидрофона постоянны.

сигнала теперь меняется не синусоидально, а представляет со­ бой последовательность зубцов и пиков. Для выделения прямого сигнала на рис. 3.44 трудно применять метод, иллюстрируемый рис. 6.3.

Четвертый тип помехи встречается только в гидроакустике. Это резонирующие пузырьки газа. Под пузырьками газа здесь понимаются не только сферические пузырьки, свободно плаваю­ щие в воде, но и небольшие количества газа, содержащиеся в отверстиях, трещинах, прорезях головок винтов и т. д. Пузы­ рек, возбуждаемый на его резонансной частоте, сильно колеб­ лется, переизлучая звуковые волны и оказывая заметное влияние на площади, примерно в 2 0 0 0 0 раз большей его попереч­ ного сечения [16]. Резонансная частота сферического воздуш­ ного пузырька пропорциональна квадратному корню из абсо­ лютного давления и обратно пропорциональна статическому радиусу [16]. В качестве удобного ориентира укажем, что пузырек