книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

в плоскостях XY, XZ и YZ показаны на рис. 3.66—3.68 соответ­ ственно. Если векторы 0 и 90° не совпадают с осями, то направле­ ния характеризуются углами 0 и <р. Например, диаграмма на рис. 3.69 соответствует (ф= 45°, 0= 0), или (ф = 45°, Z).

Направления вращения легко перепутать, поэтому оси вра­ щения не используются как опорные. Если бы диаграммы изме-

Z

Рис. 3.69. Ориентация полярной диаграммы в плоскости, определяемой сле­ дующим образом: 1) радиус-вектор 0° имеет координаты ф=45°, 0= 0° и 2) радиус-вектор 90° имеет 0=0°.

рялись путем вращения образцового преобразователя по боль­ шой дуге вокруг градуируемого, то движение образцового пре­ образователя и запись диаграммы происходили бы в одном и том же направлении, обычно по часовой стрелке. Но в дей­ ствительности диаграммы измеряются при вращении градуиру­ емого преобразователя в направлении, противоположном записи диаграммы. Это означает, что для записи диаграммы от 0 до 90° в направлении по часовой стрелке нужно повернуть преобразо­ ватель от 0 до —90° в направлении против часовой стрелки.

В некоторых специальных случаях диаграммы записываются по неплоским конфигурациям. Если, например, два преобразо­

вателя находятся на разных глубинах и один из них враща­ ется вокруг вертикальной оси, то линия, соединяющая эти два преобразователя, описывает коническую поверхность. При за­ писи таких необычных диаграмм схема измерения должна быть подробно описана, желательно с приложением чертежа.

3.15. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ИХ АНАЛИЗ

Когда гидрофоны градуируются в свободном поле с помо­

которые учитывали бы единицы измерений, постоянные, коэф­ фициенты передачи усилителей, аттенюаторов, перевод в си­ стему децибел, коэффициенты передачи цепей измерения тока и напряжения, потери напряжения при передаче и т. д. Далее формулы видоизменяются так, чтобы уменьшить трудоемкость вычисления многих экспериментальных точек.

До, во время и после обработки данных можно производить контрольные оценки и анализ данных на согласуемость изме­

ются в децибелах, и правильнее было бы называть их уровнями чувствительности. Диаграммы направленности почти всегда за­ писываются в шкале децибел, и другие параметры, такие, как индекс направленности и к. и. д., обычно приводятся в децибе­ лах. Следовательно, когда говорят, например, о чувствитель­

При измерении напряжения е с помощью системы, показан­ ной на рис. 3.26, всегда приходится учитывать коэффициент усиления. Обычно применяют калиброванный усилитель, когда его коэффициент усиления можно определить по положению ру­ чек регулировки. Коэффициент усиления G равен отношению выходного напряжения к входному, или

Ослабление считается отрицательным усилением.

Когда потери напряжения при передаче для гидрофона из­ мерены в децибелах, они будут обозначаться символом CL:

CZ. = 20 lg = 2 0 lg et —20 lg e0, (3.33)

жение на нем, эти величины должны быть связаны с выходным напряжением «цепи измерения е и t» (рис. 3.26). Это то же са­ мое, что выходное напряжение ее или е* на рис. 3.27. Соотноше­ ния находятся путем действительного измерения ее или е, в за­ висимости от е и i соответственно и определения величин

Можно ожидать, что величина Ке будет равна 20-кратному ло­

рис. 3.27, б и будет зависеть от отношения числа витков торои­ дального трансформатора на рис. 3.27, в.

Уравнения (3.33) и (3.34) представляют собой безразмерные отношения, и, следовательно, единицы измерения напряжения не имеют значения. Необходимо только, чтобы в одном уравне­

все измеренные напряжения подверглись конечному усилению, а все напряжения на гидрофонах претерпели потери при пере­ даче. Это делается для общности, поскольку такие усиление и потери существуют не всегда.

Уровень чувствительности по напряжению в свободном поле, измеренный методом сравнения с образцовым гидрофоном, оп­ ределяется по уравнению (2.1), которое в видоизмененной раз­ вернутой форме имеет вид

где индекс x относится к величинам, связанным с градуируемым гидрофоном, а индекс s — с образцовым. Искомая чувствитель­ ность Мх выражается в тех же единицах, что и чувствитель­ ность образцового гидрофона Ms, т. е. в вольтах на единицу давления (одну из приведенных на рис. 1.1). Опорная величина для напряжения равна 1 В.

Чувствительность по току в режиме излучения Sx, получен­ ная путем измерения создаваемого давления с помощью образ-

в развернутом и модифицированном виде выглядит следующим образом:

20 lg + = ( 2 0 lg - g s+ C L s) + 20 lg d - 20 lg M s -

Здесь S x выражено в используемых для Ms единицах давления, деленных на ампер. Напряжения es и е* относят к 1 В, а рас­ стояние d — к 1 м.

Чувствительность по напряжению в режиме излучения 5 ' оп­

Чувствительность гидрофона в свободном поле, получаемая при градуировке методом взаимности, выражается уравнением (2.17), которое после преобразований имеет вид

20lg М н = ~ 2 ~[(20 lg еРН— QPH-\-CLH)-{-{20lg етн— Gt-я + С Д я) —

М, зависят от единиц, в которых выражено J. Значения / При­ ведены на рис. 3.70 и 3.71 для всех четырех опорных уровней давления, показанных на рис. 1.1.

Уравнение (3.39) громоздко, если использовать все 14 чле­ нов. На практике это не обязательно. Расстояние d можно объ­ единить с /, пользуясь табл. 3.1 и рис. 3.71 и добавляя 20 lg d, где d выражено в метрах, к параметру взаимности J. Электри­ ческие импедансы излучателя Р и взаимного преобразователя Т обычно малы по сравнению с входным импедансом усилителя в приемном тракте на рис. 3.26. Следовательно, когда Р и Т используются в качестве гидрофонов, они не будут иметь по­ терь при передаче, т. е. CLP = CLT = 0. Сам гидрофон также мо­ жет не иметь потерь при передаче, если у него нет предусили­ теля или если градуировка проводится по напряжению на конце кабеля. Тогда СЬн —0. Если приемный тракт имеет хорошую ли­ нейность в широком динамическом диапазоне, то коэффициент усиления может быть одинаковым во всех четырех измерениях в методе взаимности и поэтому сокращается. Дальнейшее уп­ рощение получается, если ток или напряжение <?* поддержива­ ются постоянными с помощью стабилизирующей схемы, как по­ казано на рис. 3.26, и используется цепь с вносимыми потерями

6 дБ/октава для объединения J с еТн . Все эти упрощения при­ водят уравнение (3.39) к виду

20lg М н = - [(20lg врн — 20lg вРТ)-\-20lg втн-\-К(\, (3.40)

где етн' включает потери 6 дБ/октава, эквивалентные /, а Ко содержит постоянные, включая ток, расстояние и опорный уро­ вень ДЛЯ Ё Т Н •

Таблица 3.1

Параметр взаимности, применяемый в уравнении (3.39), для пяти различных опорных давлений, используемых в определении чувствительности по напря­ жению в режиме приема в свободном поле и чувствительности по току

фические методы для вычисления Мн в широком диапазоне ча­ стот. Разность между первыми двумя членами в скобках гра­ фически складывается с членом еТн , и в результате получается кривая, пропорциональная Мн . Остается провести вычисления только на одной частоте, чтобы учесть Ко, и привести кривую к абсолютному уровню.

Если к обычным трем измерениям в методе взаимности до­ бавить четвертое измерение, в котором Т используется в каче­ стве излучателя, а Р — гидрофона (см. рис. 2.5 г), то уравне­ ние (2.18) можно разложить и преобразовать в формулу, подоб­ ную уравнению (3.39), поменяв местами индексы Р и Т. Такая замена повлияет только на выражения в скобках, где имеются члены с индексами РТ и i. Приравнивание этих выражений со­ ставляет проверку взаимности для Р и Т. Если Р и Т взаимны, то

преобразователей

Исходные экспериментальные данные получаются в виде не­ скольких кривых на ленте самописца, представляющих напря­ жение на выходе гидрофонов и ток или напряжение излучателя в зависимости от частоты. Эти графики сначала изучаются

сцелью обнаружения разных типов искажений, рассмотренных

вразд. 3.10. Если в соответствии с установившейся традицией

измерения проведены на двух расстояниях между излучателем и приемником, то проверяется разность уровней, чтобы устано­ вить, имеется ли надлежащий спад с расстоянием. Проверка взаимности при градуировке методом взаимности, рассмотренная в разд. 2.3, осуществляется с помощью рис. 2.5, б и а и уравне­ ния (3.41). Ток излучателя или напряжение на нем (или напря­ жение, пропорциональное току) для резонансного преобразова­ теля обычно резко увеличивается или резко падает на резонанс­ ной частоте, если напряжение не поддерживается постоянным. Эти пики и провалы должны находиться в согласии с теорети­ ческими графиками на рис. 2.51, 2.53 и 2.54, показывающими, что а) на резонансе пьезоэлектрического преобразователя ток резко возрастает, а напряжение падает; б) на резонансе элект­ ромагнитного преобразователя ток резко падает, а напряжение возрастает.

Б. Чувствительность

Чтобы проверить, правильно ли найдены значения чувстви­ тельности, лучше всего получить данные независимыми мето­ дами и сравнить результаты. Например, метод взаимности в сво­ бодном поле и нулевой метод двух излучателей совершенно независимы. Немногие измерительные лаборатории имеют обору­ дование для таких проверок результатов градуировки. Более распространенными являются полунезависимые методы, напри­ мер сравнение результатов, полученных в непрерывном и в им­ пульсном режимах градуировки гидрофонов, или исследование согласуемости результатов на частотах, где диапазоны градуи­ ровки перекрываются. При градуировке широкополосного гид­ рофона частотный диапазон измерений обычно лимитируется излучателем. Электродинамический излучатель можно исполь­ зовать в звуковом диапазоне частот, скажем, до 20 кГц. Пьезо­ электрический излучатель обычно используется в диапазоне 5—• 50 кГц. Две серии измерений с этими излучателями перекры­ ваются в диапазоне 5—20 кГц и являются полунезависимыми. Это значит, что часть условий измерений в этих двух случаях одинакова, а другие условия различаются. Для обнаружения