книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения
.pdf12 Гл. I. Введение
Фирма «Белл», используя пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли и дигидрофосфата аммония, разработала измери тельные образцовые гидрофоны. Были изготовлены также гид рофоны, в которых использовался магнитострикционный эффект. Эта же фирма разработала широкополосные источники звука (или излучатели) на пьезоэлектрических кристаллах для ультра звукового диапазона и электродинамические излучатели для диапазона звуковых частот.
Гидроакустическая лаборатория Массачусетского технологи ческого института разработала гидрофоны на сегнетовой соли и конденсаторную гидрофонную систему, в которой используется принцип модуляции несущей частоты при помощи импедансной мостовой схемы. Фирма «Браш девелопмент» создала несколько типов широкополосных пьезоэлектрических преобразователей. Гидроакустическая лаборатория Гарвардского университета ис пользовала явление магнитострикции при создании многих ти пов преобразователей. Природные пьезоэлектрические кристаллы использовались в ограниченной степени (турмалин в научно-ис следовательской лаборатории ВМС и кварц в лаборатории фирмы «Белл»), Промышленные организации типа фирм «Саб-
марин |
сигнал», «Дженерал электрик», |
«Сангамо |
электрик» и |
«Рэдио |
корпорейшн ов Америка» также внесли |
свой вклад |
|
в развитие гидроакустической техники. |
|
|
|
В 1945 г., в конце второй мировой войны, стало возможным |
|||
проградуировать небольшой гидрофон |
в диапазоне частот от |
||
2 Гц до 2,2 МГц. Излучатели или источники звука массой при мерно до 100 кг и более при возбуждении генераторами с мощ ностью до 1,5 кВт, использовавшимися тогда в звуковом диапа зоне частот, могли быть отградуированы в диапазоне 0,05—• 140 кГц. При изменении статического давления возможности градуировки небольших гидрофонов ограничивались частотами 2—100 Гц при давлении до 70 Па, а для очень малых гидро фонов и излучателей (менее 45 к г ) — частотами 10—150 кГц при давлении до 215 Па. Образцовые гидрофоны и излучатели отвечали предъявляемым к ним требованиям, но были далеки от совершенства. Стабильность их параметров во времени при изменении статического давления и температуры во многих слу чаях была значительно хуже, чем следовало иметь для образцо вых измерительных преобразователей. Источники звука, как правило, были громоздкими, а кривые чувствительности не были достаточно плавными и плоскими, как требовалось для точных градуировочных работ. Измерительные приборы не были приспособлены для измерения импульсных звуковых сигналов. Обычно предполагалось, что имеются условия свободного поля или неограниченной среды, но на деле они редко достигались. Таким образом, несмотря на значительный прогресс, достигну
1.3. Область измерений |
13 |
тый в период второй мировой войны, состояние дел в этой обла сти в 1945 г. было еще неудовлетворительным.
После второй мировой войны резкий спад военно-приклад ных исследований и разработок оказал влияние на подводную акустику и на работы по градуировке гидроакустических стан ций. Почти все частные организации и особенно университеты, работавшие в этой области во время войны, полностью или ча стично отошли от этой деятельности. Ответственность за ра боты, выполняемые университетскими лабораториями, возло жили на ВМС США. Калифорнийская группа была реорганизо вана в Лабораторию электроники ВМС. Гарвардская группа разделилась на Гидроакустическую лабораторию ВМС в НьюЛондоне (штат Коннектикут) и финансируемую ВМС Лабора торию исследования вооружений в Пенсильванском универси тете. Лаборатория гидроакустических измерений Колумбийского университета была передана непосредственно ВМС.
Исследования и разработка методов градуировки преобра зователей и систем были возобновлены в начале 50-х годов, главным образом во вновь созданных лабораториях ВМС или
по контрактам |
с ВМС. Это обусловило значительный прогресс |
в этой области, |
о чем свидетельствуют многие приведенные |
в книге ссылки. Вполне естественно, что какие-то работы ока жутся не включенными. Автор приносит за это свои извинения. Вероятно, многие пропуски связаны с работами европейских ученых. Ссылки на работы европейских ученых будут относиться главным образом к журналу «Acustica», но автор прекрасно сознает, что некоторые работы, напечатанные в других изданиях, выпали из его поля зрения.
Для читателей, желающих подробнее ознакомиться с пред метом электроакустики и историей его развития, можно поре комендовать книгу Ханта [6], в которой есть очень интересная глава, составленная в основном из хронологического описания патентов. Можно также порекомендовать вышедшую в 1963 г.
книгу „Submarine Signal Log” (Submarine Signal Division, Ray theon Company, Portsmouth, R. I., 1963)j в которой прослежи ваются этапы создания и развития гидроакустических станций до и в период второй мировой войны.
1.3. ОБЛАСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ
Измерения, описанные в этой книге, отвечают самым раз личным целям и имеют широкую область применения. С одной стороны, это научные исследования, для которых первостепен ным является достоверность и точность, а второстепенным — сложность и ограничение по времени. С другой стороны, это
14 Гл. I. Введение
быстрые и простые испытания преобразователей в процессе про изводства аппаратуры или после возвращения ее из ремонта.
Электроакустические измерения подразделяются на два ос новных типа. Существуют пассивные измерения, когда акусти ческий сигнал создается какими-то неэлектроакустическими пу тями, например морскими организмами, вибрацией механизмов, взрывами, механическими или гидравлическими генераторами. Но воспринимающим элементом во всех этих случаях слу жит электроакустический гидрофон. Кроме того, существуют активные измерения, когда звук создается и управляется электро акустическим преобразователем.
Именно активные измерения лежат в основе градуировки, испытаний и оценочных работ. Большая часть рассмотренных в книге методов относится к активным измерениям. В общем случае излучатель и приемник связаны щодной средой. Электри ческий сигнал подается и измеряется на входных электрических клеммах источника звука. Далее электрический сигнал изме ряется на выходе приемника, пока приемник подвергается воз действию акустического излучения источника. Различные вари анты этой простой схемы являются основой большинства элект роакустических измерений. Конечно, имеется очень много специфических разновидностей измерений и ограничений, связан ных с частотой, размерами, окружающей средой, поставленными задачами и т. д. Обычно сначала нужно определить некоторые постоянные, но в конечном счете измерения сводятся к опреде лению входного электрического сигнала и выходного электри ческого сигнала, или, говоря языком электротехники, к опреде лению передаточного импеданса цепи.
Особенностью градуировки является то, что часто специ алист даже не знает величины действующего звукового давле ния, да это ему и не нужно. Вся электро-акустически-электри- ческая система рассматривается как электрический четырехпо люсник. Акустическую часть этой системы характеризуют такие параметры, как волновые размеры, акустический импеданс
среды, скорость звука |
в среде и т. д. Указанные параметры |
в процессе градуировки |
обычно определяются только один раз |
и далее считаются постоянными. В некоторых методах опреде ление этих постоянных является наиболее трудоемкой частью, в других они определяются элементарно или берутся из спра вочников.
В гл. II приводится описание и дается теоретическое обосно вание разнообразных методов измерений. Одни из них получили широкое распространение, другие имеют узко специальное при менение. В гл. III довольно подробно рассматривается прак тика проведения измерений по широко распространенному ме тоду «свободного поля». Методу «ближнего поля», относительно
1.4. Терминология |
15 |
новому и существенно отличному от других методов, посвящена гл. IV. Образцовые гидрофоны, обратимые преобразователи, ши рокополосные источники звука являются основными приборами, необходимыми для проведения большинства практических изме рений. Конструкция этих специфических приборов описана в гл. V. С подводными электроакустическими измерениями и гидроакустическими преобразователями тесно связаны акусти ческие экраны, окна, отражатели, звукопоглощающие покрытия и поглотители. Измерения с целью оценки характеристик вспо могательных материалов рассматриваются в гл. VI.
1.4. ТЕРМИНОЛОГИЯ
Американский национальный институт стандартов (прежнее название «Американское общество стандартов») опубликовал стандартную терминологию [28], составленную под контролем Акустического общества США. В данной книге повсюду исполь зуется эта терминология. Отдельным терминам, встречающимся в этой книге, дается определение в тех местах, где они впервые рассматриваются подробно. Однако принятая терминология не является неизменной, и читатель может увидеть, что некоторые термины, такие, как герц, снижение отражения *> и ближнее поле, в стандартную терминологию не включены. Термины типа камера связи и вносимые потери используются в более широком смысле, чем в стандартной терминологии. Другие термины ис пользуются в сокращенном выражении: например, диаграмма направленности вместо диаграмма направленности чувствитель ности. Стандартная терминология занимает около 50 страниц; при желании читатель может воспользоваться ею.
Помимо определения используемой технической терминоло гии, необходимо сделать замечания относительно применения ряда общих терминов. В подводной акустике под термином «преобразователь» обычно понимается электроакустический пре образователь. Иногда значение этого термина еще более сужается и под ним подразумевается также обратимый элект роакустический преобразователь. К обратимым электроакусти ческим преобразователям не относят гидрофоны с предваритель ными усилителями; однако это положение не закреплено стандар том и поэтому в нашей книге не применяется. Слово преобразо ватель используется здесь как собирательный термин для всех типов электроакустических преобразователей. Гидрофон пред ставляет собой подводный микрофон, или преобразователь, пред назначенный для обнаружения или приема звука в воде. В не которых случаях этот термин также применяется в более
*> См. гл. VI. — Прим. ред.
16 Гл. I. Введение
ограниченном значении, а именно: относится к тем преобразова телям, которые могут быть использованы только в качестве звукоприемников. Такое применение этого термина тоже является
нестандартным, и поэтому в данной |
книге |
не используется. |
Под излучателем понимается генератор |
или |
возбудитель звука |
в воде. Термины гидрофон и излучатель применяются здесь только при обозначении цели исследований, для которой служит преобразователь в данный момент, и не имеются в виду их кон струкция, выбранный принцип преобразования колебаний или другие их свойства.
Выражения «чувствительность преобразователя в режиме при ема» и «отклик преобразователя в режиме приема» являются одинаково приемлемыми, хотя термин «чувствительность» ис пользуется более широко. С другой стороны, «отклик преобра зователя в режиме излучения» является наиболее приемлемым термином *). Причина такого различия состоит в том, что под откликом измерительных устройств и приборов всех типов пони мают изменение выходного сигнала при воздействии входного, а чувствительностью обладают только чувствительные элементы (датчики или детекторы).
1.5. ИЗМЕРЯЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Конечным результатом большинства измерений является определение электроакустического параметра, т. е. определение отношения электрической переменной величины к акустической переменной величине, или наоборот. Типичным электроакустиче ским параметром, вычисляемым по измеренным электрическим данным и различным постоянным, является чувствительность на прием (напряжение/давление) или чувствительность на излу чение (давление/ток или давление/напряжение).
Когда чувствительность преобразователя измеряется в функ ции частоты, мы получаем частотную характеристику чувстви тельности преобразователя, которая представляет собой наибо лее распространенный результат его градуировки.
Основные и широко используемые чувствительности электро акустического преобразователя определяются следующим об разом.
Чувствительность по напряжению в свободном поле, исполь зуемая при приеме звука, является отношением выходного на пряжения холостого хода к звуковому давлению в свободном поле в невозмущенной плоской бегущей волне. Частота звука и угол падения должны быть точно определены.
*) В отечественной практике гидроакустических измерений пользуются вы ражением «чувствительность преобразователя в режиме излучения», которому мы и будем следовать в дальнейшем изложении.— Прим. ред.
1.5. Измеряемые параметры |
17 |
Чувствительность в режиме излучения по току (или напря жению), используемая для оценки источника звука, представ ляет собой отношение звукового давления, приведенного к рас стоянию 1 м в определенном направлении от эффективного акустического центра преобразователя, к току возбуждения, протекающему через входные клеммы, или к приложенному
кэтим клеммам напряжению.
Вгидроакустике чувствительности преобразователей обычно измеряются и отсчитываются в децибелах. В таких случаях
уровни чувствительности с технической точки зрения являются правильными терминами; однако децибелы и уровни исполь зуются настолько широко, что для краткости слово «уровень» часто опускают без риска внести путаницу или какую-либо не определенность.
В том случае, когда относительная чувствительность изме ряется как функция направления или ориентации, мы называем ее диаграммой направленности чувствительности, или, проще, диаграммой направленности. Формально это понятие опреде ляется таким образом.
Диаграмма направленности преобразователя, используемого для излучения или приема звука, представляет собой график (обычно в полярных координатах) чувствительности преобразо вателя в функции направления передаваемых или падающих звуковых волн в определенной плоскости и на определенной частоте.
Полная, или трехмерная, диаграмма направленности обычно описывается с помощью набора диаграмм направленности в раз личных плоскостях, проходящих через акустическую ось пре образователя.
Когда измерения чувствительности преобразователя произ водятся в зависимости от уровня сигнала, мы приходим к оценке
линейности или динамического диапазона. Эти термины описы ваются и определяются в разд. 2.15.
Электрический импеданс является квазиэлектроакустическим параметром, поскольку зависит от акустических характеристик среды, в которую преобразователь излучает звуковую энергию, и часто весьма чувствителен к их изменениям. При этом изме ряют отношение электрических величин (напряжение/ток), как и в большинстве других электроакустических измерений, но в отличие от них существенное значение здесь имеет разность фаз между двумя сигналами.
В электроакустических измерениях, за исключением измере ний импеданса, фаза в абсолютном смысле имеет ограниченное применение, поскольку она зависит от произвольного выбора точки измерения. Длина волны акустического, сигнала в воде часто меньше размеров преобразователя, и выбор точки
2 Заказ № 730 |
) ......... |
18 Гл. I. Введение
измерения акустического сигнала должен оказывать большое влияние на измерение фазы.
Коэффициент полезного действия является расчетным пара метром, так как непосредственные измерения электрической и акустической мощности невозможны. Ряд других параметров типа коэффициента концентрации и уровня давления, эквива лентного шуму, также рассчитывается по измеренным чувстви тельности и импедансу.
Другими переменными параметрами, используемыми в этих измерениях, являются факторы окружающей среды (гидроста тическое давление и температура), вид сигнала (непрерывная волна, пульсирующий, шумовой, импульсный и т. д.), граничные условия среды (свободное поле, реверберация, экранированный
или неэкранированный |
преобразователь, с обтекателем или без |
|
него и т. д.). Сюда же, |
конечно, относятся и различные внутрен |
|
ние изменения или регулировки, |
которые могут производиться |
|
у некоторых преобразователей |
(последовательное или парал |
|
лельное соединение элементов, с трансформатором или без него
ит. д.).
Вцелом имеются три категории электроакустических пара метров преобразователей: 1) чувствительность, которая изме ряется непосредственно в функции частоты, уровня или вида
сигнала, параметров окружающей среды, ориентации и т. д.; 2) импеданс; 3) расчетные параметры, определяемые по данным измерений (1) и (2).
1.6. ДЕЦИБЕЛЫ
Система децибел широко применяется в подводных электро акустических измерениях. Это объясняется рядом причин. Они уходят своими корнями в традицию и историю акустики, в част ности в область физиологии. Ухо человека приблизительно оди наково ощущает разницу в громкости звука как между 1 и 10 единицами, так и между 10 и 100 единицами. Это означает, что ухо является логарифмическим детектором. Следовательно, использование логарифмической шкалы или измерительной си стемы, подобной шкале децибел, весьма целесообразно. Слухо вое восприятие человека и акустические явления вообще харак теризуются чрезвычайно широкими пределами изменения ампли туды сигнала ■— порядка 1012. По этой причине логарифмическая шкала также является удобным масштабом измерений. Нако нец, в подводных электроакустических измерениях и во многих других областях акустики и техники связи больший интерес представляют отношения сигналов, чем их абсолютные значе ния. Децибелы в этом случае являются удобной единицей из мерения отношений.
1.6. Децибелы |
19 |
Классическое понятие децибел определяется соотношением |
|
типа |
|
n = \Q \g (PijPo), |
(1.1) |
где Р ,/Р 0 — отношение мощностей, а п — число децибел. Параметры, эквивалентные мощности (например, акустиче
ская интенсивность / или мощность на единицу площади), опи сываются аналогичным выражением
я = 10 lg (/,//„). |
(1.2) |
Удобство системы децибел привело к ее использованию для выражения параметров, пропорциональных корню квадратному из мощности: напряжения, силы тока, давления, колебательной скорости и т. д. Такое использование справедливо и согласуется с классическим понятием децибела, если эти параметры можно связать с мощностью. Эта зависимость обычно включает в себя импеданс, иногда выраженный в явном виде, а в других слу чаях только подразумеваемый. В электроакустике система де цибел применяется еще шире и используется для установления соотношений входных и выходных параметров, подобных чувст вительности преобразователя. Тогда фактически используется логарифм отношения отношений и связь с мощностью и импе дансом становится довольно слабой.
Однако рассмотрим сначала применение децибел для отношения двух мощностей Рх и Р0, определяемых соотно шением Р = е2/Р и разделенных в пространстве или во времени:
П = 10 lg (Л/Л>) = |
101g ( 4 ^ 1 |
• |
(! -3) |
|
У eojKОJ |
|
|
Если P \= R q, т о |
|
|
|
n= 2O lg(e1fe0)i |
|
(1.4) |
|
Выражение (1.4) определяет |
отношение |
двух |
напряжений |
в децибелах, когда они измеряются на общем импедансе. От ношение токов, звуковых давлений и колебательных скоростей частиц также можно выразить аналогичным образом при усло вии общего импеданса.
В децибелах можно выражать отношение напряжений в двух точках одной и той же эффективно бесконечной передающей линии, звукового давления в свободном поле, измеренного в двух точках на различных расстояниях от одного и того же излучателя, и токов в одной и той же цепи в два различных момента времени.
2*
20 Гл. I. Введение
Вторым важным случаем применения децибел является их использование для выражения амплитуды (обычно среднеквад ратичной амплитуды) некоторого параметра в конкретной точке пространства и в конкретный момент времени относительно не которого опорного значения амплитуды. Например, если в (1.4) е0 положить равным определенному опорному значению, то щ будет измерено относительно е0. Такое использование шкалы децибел конкретизируется словом «уровень», например уровень напряжения или уровень давления. При этом понимается, что в\ и е0 измеряются на том же самом импедансе. Если е0=1В,
уровень напряжения щ |
в (1.4) |
по определению выражается |
в дБ • В и читается как |
«децибел |
относительно одного вольта». |
Аналогично этому звуковое давление р определяется в еди
ницах уровня звукового давления SPL (sound |
pressure level): |
5 PL = 2 0 \g{px!pQ), |
(1.5) |
где po — опорное давление. |
|
Общепринятого стандартного опорного давления не сущест вует. В воздушной акустике используется давление, равное 0,0002 дин/см2; оно же использовано в акустике подводного шума. Со второй мировой войны для характеристики работы гидроакустических станций и в подводных электроакустиче ских измерениях (кроме измерений шума) в качестве опорного использовалось давление, равное 0,1 Па (1 дин/см2). В 1968 г. для акустики жидких сред в качестве американского стандарт ного опорного уровня давления был выбран 1 мкН/м2 (1 мкПа). Преимущество его состоит в том, что он является сте
пенью |
10, достаточно мал |
по величине (поэтому отрицательные |
уровни |
давления фактически исключаются), легко согласуется |
|
с системой единиц МКС |
и со стандартной системой приставок |
|
(милли-, микро- и т. д.). Различные уровни опорных давлений показаны на рис. 1.1.
Система децибел используется также для определения отно шений выходного и входного сигналов четырехполюсников и преобразователей. В этом случае она утрачивает большинство связей е отношениями мощностей, но по-прежнему должна со гласоваться с уравнениями (1.4) и (1.5). Усилитель напряжения,
например, может иметь коэффициент усиления, равный |
10, |
что |
||
означает |
|
|
|
|
20 lg ( - ВЫХ0ДН0е п р я ж е н и е |
\ |
2Q1 1Q==2Q Б< |
(L 6 ) |
|
& \ входное напряжение |
/ |
ь |
v |
' |
Напряжения измеряются на разных импедансах, однако ус ловия импеданса на входе и выходе усилителя остаются посто янными. Конечно, входное напряжение измеряется на входном импедансе усилителя, а выходное — на конкретном импедансе нагрузки.
1.6. Децибелы |
21 |
Аналогично этому чувствительность М по напряжению в сво бодном поле определяется соотношением
201gM =20 lg |
выходное напряжение холостого хода |
(1.7) |
||
давление плоской волны в свободном поле |
||||
|
|
|||
|
—|--- <*• |
1 И/мг(1Па) |
|
|
|
20дБ |
|
|
|
|
----■;-----»■ |
I d i m / C M Z |
|
|
1206Ь
ЮПВБ
------------------------ 0,0002 дин/см г или
20 мкПа
2вдБ
-------------------------------------------------— *- / мкПа
Рис. 1.1. Уровни опорного давления.
Здесь опять-таки нет общего импеданса, но условия импе данса являются постоянными. Напряжение измеряется при разомкнутой цепи или, по существу, при бесконечно большом импедансе, а давление измеряется в плоской волне с волновым сопротивлением рс, где р — плотность воды, а с — скорость звука. Применяемые в (1.6) единицы напряжения значения не имеют, если входные и выходные величины измеряются в одних и тех же единицах. В (1.7) напряжение и давление не имеют