книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

182 Гл. III. Основы измерений в свободном поле

диаметром 1 см, расположенный вблизи поверхности, при ат­ мосферном давлении имеет резонанс на частоте 667 Гц [16]. Зная эту частоту и пользуясь указанными выше зависимостями, можно вычислить резонансную частоту более мелких пузырь­ ков при разных давлениях. Пузырьки обычно малы в сравне­ нии с длиной волны, и, следовательно, их форма не играет роли. Поэтому можно полагать, что резонансная частота пузырьков других форм примерно равна резонансной частоте сферического пузырька такого же объема.

Маленькие газовые пузырьки могут быть цепкими и устой­ чивыми. Поэтому необходимо внимательно исследовать и про­ верять аномалии на записанных экспериментальных кривых

Рис. 3.45. Типичный эффект газового пузыря в воде вблизи гидрофона (по­ казан пунктирной кривой).

(типа той, что показана на рис. 3.45), для того чтобы убедиться, является ли эта кривая истинной характеристикой преобразо­ вателя или аномалия на ней вызвана пузырьком в среде. По­ скольку резонансная частота пузырька зависит от статического давления, то при изменении глубины частота аномалии сдви­ нется. Однако такую проверку нельзя считать однозначной, по­ скольку пузырек может находиться внутри чувствительного элемента преобразователя, в частности в среде, которая акусти­ чески связывает пьезокристалл с водой. Важно иметь представ­ ление о том, как воздушные пузырьки влияют на результаты гидроакустических измерений.

^Рассмотрим пузырек с малым радиусом по сравнению с дли­ ной звуковой волны в воде. Пузырек находится в свободном звуковом поле с давлением pf. Акустический импеданс самого пузырька состоит из гибкости С заключенного в нем газа и со­ противления R, возникающего из-за потерь при сжатиях и рас­ ширениях газа. Масса движущегося газа пренебрежимо мала. Эквивалентную схему для пузырька в воде, возбуждаемого звуковым давлением, можно составить на основе теоремы Тевенина. Давление, действующее на заторможенный пузырек (или давление холостого хода), можно определить, полагая им-

педанс пузырька близким к бесконечности. Если пузырек мал, это давление равно давлению в свободном поле. Затем выклю­ чаем генератор и оцениваем импеданс на зажимах генера­ тора. Это значит, что мы смотрим на генератор со стороны на­ грузки, или, говоря языком акустики, смотрим в среду из

Рис. 3.46. Эквивалентная схема газового пузырька в воде, возбуждаемого давлением свободного поля pf. т — присоединенная масса воды; R — сопро­ тивление газа в пузырьке и сопротивление излучения; С — гибкость газа в пу­

Схема на рис. 3.46 является обычным последовательным ре­ зонансным контуром. При постоянном pf относительная ампли­ туда и фаза и пропорциональны адмитансу пузырька, показан­ ному на круговой диаграмме на рис. 3.47. Предположим, пузырек и гидрофон расположены близко друг к другу, так что расстояние между ними удовлетворяет условию г<СА,. Пусть пу­ зырек находится сбоку от гидрофона, так что давление свободного поля в месте их расположения одинаково по амплитуде и фазе. Это условие соответствует прилипанию пузырька к чувствитель­ ному элементу гидрофона. Тогда полное давление рн в месте расположения гидрофона и вблизи пузырька равно сумме pf и давления рТ, излучаемого пульсирующим пузырьком, как по­ казано на рис. 3.48.

Пузырек ведет себя как точечный сферический излучатель, и давление рг можно вычислить по одной из известных формул,

режает на 90° скорость, направленную наружу. Поскольку за положительное направление скорости мы выбрали направление

внутрь, то рг опережает отрицательную скорость на 90° или по­ ложительную— на 270°. Следовательно, годограф рг относи­ тельно pf получается поворотом круга, показанного на рис. 3.47,

JB

Рис. 3.48. Положение, при котором давление свободного поля Pf воздействует и на гидрофон и на газовый пузырек, находящиеся друг от друга на расстоя­ нии г. Звуковое давление рТ, переизлученное или рассеянное пузырьком, также воздействует на гидрофон.

рис. 3.49. Отметим, что резонансная частота не соответствует частоте максимального или минимального давления и частоте, при которой pH= Pf.

Из рис. 3.49 видно, что отношение рн 1р} меняется с частотой, как показано на рис. 3.45. Если г увеличивается, то размер круга уменьшается и фаза рг изменится. Фазовый угол рг равен

—kr рад. Увеличение расстояния приводит к большему отрица­

186 Гл. III. Основы измерений в свободном поле

Не от всех помех можно защититься. Например, из-за гранич­ ных условий совершенно невозможно проводить измерения в ус­ ловиях свободного поля в маленьком бассейне на инфразвуковых частотах. Поэтому приходится использовать другой метод градуировки, например малую камеру.

Помехи от шума и паразитных сигналов устраняются или уменьшаются (рис. 2.51) с помощью узкополосных фильтров. Конечно, этот способ применим только к непрерывным си­

Стоячие волны устраняются путем поворота одного или обоих преобразователей на несколько градусов. При этом на­ рушается плоскопараллельность преобразователей, а чувстви­ тельность изменяется мало. Увеличение расстояния между пре­ образователями также приводит к уменьшению помех от стоя­ чих волн, но при этом могут возрасти помехи от отражений.

Для устранения пузырей нужно тщательно очищать преоб­ разователи моющим агентом, проводить температурную стаби­ лизацию преобразователей, правильно конструировать преобра­ зователи, кронштейны и другие подводные крепления, контроли­ ровать наличие морских организмов, удалять газообразующие органические вещества со дна измерительного бассейна.

Если для устранения отражений невозможно применить им­ пульсную технику, то можно принять другие меры, хотя они в большинстве случаев решают задачу лишь частично. Расстоя­ ние между преобразователями следует выбирать минимальным, а расстояние до отражающих границ — поддерживать макси­ мальным, чтобы добиться большего отношения прямого сигнала к отраженным. По возможности следует использовать направ­ ленные преобразователи, чтобы уменьшить чувствительность в направлениях действия отражений.

Отражающие границы можно покрывать звукопоглощаю­ щими материалами. Для задержки отражений и отклонения их в нужных направлениях можно применять экраны. Однако тех­ ника экранирования не так проста и целесообразна, как может показаться. Хорошие жесткие отражатели были бы очень тя­ желыми и громоздкими, хорошие «мягкие» отражатели не­ прочны и чувствительны к статическому давлению. Кроме того, на краях экранов звуковые волны рассеиваются и дифрагируют, образуя вторичные источники помех.

Необходимо выбирать выгодное расположение преобразова­ телей относительно отражающей границы. Если один преобра­ зователь нечувствителен в каком-либо направлении (например, сзади), то его нужно ориентировать так, чтобы отражающая по­ верхность находилась за преобразователем, т. е. основной лепе-

сток диаграммы направленности преобразователя должен быть направлен от границы. Однако оптимальное расположение не обязательно должно быть одинаковым при градуировке преоб­ разователей и при измерении диаграммы направленности, когда исследуемый гидрофон вращается. Это иллюстрирует рис. 3.51, где показано измерение характеристик направленного излуча­ теля с помощью ненаправленного гидрофона.

Лажный лепест ок

Рис. 3.51. Различное расположение направленного излучателя и ненаправ­ ленного гидрофона относительно отражающей границы. Случай (а) предпоч­ тительнее (б) при измерении чувствительности излучателя; (<3) и (е) пред­ почтительнее, чем (в) и (г), при измерении диаграмм направленности.

Схема расположения преобразователей на рис. 3.51, а опти­ мальна для градуировки гидрофона, поскольку нулевая чувстви­ тельность при 180°, или сзади, у излучателя позволяет избежать отражений от границы, тогда как при расположении, показан­ ном на рис. 3.51, б, на гидрофон попадают и прямой и отражен­ ный сигналы. Если расположить преобразователи, как на рис. 3.51, а, при измерении диаграммы направленности, то, как видно из рис. 3.51, в и г , уровень диаграммы при 0° не искажен отражениями, но при 180° сигнал целиком состоит из отраже­ ний, что приводит к появлению ложного лепестка на 180°. Если преобразователи поменять местами, то уровень при 0° (рис. 3.51,6)

нет. Поэтому выбор оптимального расположения преобразова­ телей сводится к оценке ошибки в случаях (а) и (<3). Заметим, что интерферирующий отраженный сигнал в обоих случаях оди­

предпочтительным.

Проиллюстрируем это на примере. Предположим, отражен­

меньше основного лепестка, т. е. отно­ шение фронт/тыл будет равно 20 дБ

сшибки измерения диаграммы направ­ ленности оцениваются в относительной разности уровней при различных уг­ лах, то в данном примере даже эта ма­ лая ошибка исключается, так как, ка­ кой бы ни была ошибка в случае (<3), она будет одинаковой для всех углов, и, следовательно, форма диаграммы не исказится.

Специальный выбор расположения преобразователей помо­ гает устранить влияние отражений от вертикальных границ, но мало помогает уменьшению отражений от дна и поверхности. Случайно может оказаться, что отражение попадает на гидро­ фон в направлении нулевой чувствительности, как показано на рис. 3.52, и не влияет на его выходной сигнал. Однако, по­ скольку направление нулевой чувствительности меняется с ча­ стотой, эта возможность ограничена одной частотой или узкой полосой частот.

Пока речь идет о пассивных помехах типа отражений, не­ важно, служит преобразователь приемником или излучателем. Принцип взаимности применим как к прямым сигналам, так и к отражениям. Однако если где-то имеется активный источник помех, то система перестает быть пассивной и принцип взаим­ ности не выполняется. Возьмем, например, случай, показанный на рис. 3.53, где имеются один ненаправленный преобразова­ тель и один остронаправленный, у которого чувствительность при 180° равна нулю. Тогда, если к источнику помехи обращена

задняя сторона направленного преобразователя, служащего гид­ рофоном, то помеха не окажет никакого влияния, т. е. гидрофон будет воспринимать только сигнал от излучателя. Если направ­ ление сигнала изменить на обратное и остронаправленный пре­ образователь использовать в качестве излучателя, то ненаправ­ ленный гидрофон будет принимать звук и от излучателя, и от источника помех.

Прямой сигнал, показанный пунктирной кривой на рис. 3.41, равен среднему значению из максимального и минимального

Рис. 3.53. Эффект изменения направления, по которому приходит сигнал. Сигнал помехи не воспринимается гидрофоном в положении (а), но прини­ мается в положении (б).

сигналов. Поэтому метод, в котором измеряется среднее значе­ ние сигнала в полосе частот, позволил бы эффективно устра­ нить влияние отражений. Возможны два таких метода. В одном используется полоса шума, центрированная на частоте измере­ ния. В другом — воющий тон или частотно-модулированный си­ гнал. Ни один из этих методов не применяется широко в гид­ роакустических измерениях, так как частотное разрешение чув­ ствительности, получаемое при усреднении, обычно слишком мало.

3.12.РАЗМЕРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ БАССЕЙНОВ

Вбассейне для подводных электроакустических измерений можно удобно расположить преобразователи и контролировать условия измерений. В этом разделе понятие «бассейн» будет относиться к тем бассейнам, в которых можно проводить гра­ дуировку в условиях свободного поля. За исключением чрез­ вычайно больших бассейнов типа TRANSDEC (рис. 3.7), каче­ ство бассейна зависит от того, в какой степени можно устранить влияние отражений или помехи от отражений. Если отражения уничтожаются или ослабляются поглотителями на границах бассейна, то последний называют заглушенным. На рис. 3.54 приведена фотография типичного закрытого бассейна.

Большинство таких бассейнов не замкнуты сверку и подобны естественным водоемам, но меньше их по размерам. Исключе­

по себе является хорошим поглотителем, и деревянные бассейны используются в различных областях техники, так как они де­ шевле других. Наибольшую популярность приобрели бассейны из кедра, красного дерева и кипариса.

Основным вопросом при конструировании и использовании бассейна является его частотный диапазон. Необходимый раз­ мер бассейна, грубо говоря, пропорционален длине волны аку­ стического сигнала. Естественно, что основное внимание уде­ ляется наибольшим длинам волн, ограничивающим частотный

Рис. 3.55. Разрез заглушенного бассейна, рассчитанного на работу при гид­ ростатических давлениях до 70 • 105 Па и принадлежащего Лаборатории гид­ роакустических измерений ВМС, Орландо (штат Флорида). 1 дюйм=2,54 см.

диапазон снизу. Не существует простого ответа на вопрос: ка­ кого размера должен быть бассейн, чтобы его можно было ис­ пользовать на частоте 1 кГц? Размер бассейна зависит от дли­ тельности импульсов, частоты их повторения и расстояния излу­ чатель— гидрофон. Эти величины в свою очередь зависят от типа проводимых измерений, их точности, размера преобразо­ вателя и его добротности Q, частоты, чувствительности, типа измерителя напряжения и снижения отражений на границах водоема.

Если используется импульсный режим работы, то форма бас­ сейна не имеет значения. Ограничивающим фактором является расстояние до отражающей поверхности, ближайшей к пути рас­ пространения прямого акустического сигнала от излучателя до гидрофона.

Чтобы получить некоторые простые критерии для выбора размеров бассейна, можно сделать ряд упрощающих, но реали­ стичных допущений. Первое из них (рис. 3.56) состоит в том,