книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

сведения или хотя бы разумные предположения об истинных размерах и форме преобразователя. Лепестки диаграммы ста­ новятся острее с повышением частоты. Любое нарушение этогоправила обычно указывает на то, что диаграмма измерена на гармонике. Когда диаграммы измеряются в нескольких пло­ скостях, должна наблюдаться совместимость между определен­ ными уровнями. Разности фронт—тыл у диаграммы в плоскостях XY и XZ должны быть одинаковы. Разности уровней в направ­ лениях осей Y и Z должны быть совместимы на всех диаграммах.

Если диаграммы сняты в трех основных плоскостях, то про­ верка уровней в направлении осей Y и Z должна показать, что

X Z (ср==90°) — X V (0= 9 0 °)= KZ (<р=0°) — YZ (0=90°). (3.46}

Е. Импеданс

Если импеданс преобразователя измерен разными методами,, то результаты, естественно, должны совпадать. Имеются три метода. Данные по измерению е и i при градуировке дают только общее представление об импедансе. Самописцы годо­ графа импеданса (VILP) автоматически записывают импеданс в виде, показанном на рис. 2.52,6, 2.53 и 2.54. Такие графики удобны и полезны, но не очень точны. Для получения высокой точности применяют импедансные мосты, а данные представ­ ляют графически, как показано на рис. 2.52, а. Графические дан­ ные нужно исследовать, чтобы убедиться, что максимумы, ми­ нимумы и наклоны кривых соответствуют теории, изложенной в разд. 2.13.

Ж- Потери при передаче

Потери напряжения гидрофона при передаче не зависят от нагрузки преобразователя, за исключением частот вблизи ре­ зонанса у сильно резонансных преобразователей. Следова­ тельно, измерения в воздухе с широкополосными гидрофонами должны давать те же результаты, что и измерения в воде. По­ скольку условия электрического заземления часто влияют на ре­ зультаты измерения потерь напряжения, сравнение результатов, полученных в воздухе и в воде, помогает обнаружить ошибку в этих измерениях. Если результаты не согласуются, то это обычно означает, что в одном из измерений калибровочное со­ противление зашунтировано сопротивлением утечки на землю. Потери напряжения при передаче обычно примерно постоянны до нижней частоты спада, которую не нужно путать с нижней

риант схемы рис. 3.25, на котором показаны пьезоэлектрический генератор и параллельные сопротивления и емкости, нагру­ жающие его. За исключением очень низких частот, сопротивле­ ния Rg и Ra намного больше, чем реактивные сопротивления 1 /соCg и 1 /соСа; поэтому калибровочное напряжение связи ei па­ дает на двух реактивных сопротивлениях. Коэффициент деле­ ния не зависит от частоты. На некоторой низкой частоте, в диа­ пазоне от 1 до 100 Гц, 1/соСа становится равным Ra. Это и есть

/

Рис. 3.72. Упрощенная схема измерения потерь напряжения при передаче. Паразитные емкости и сопротивления утечки включены в сосредоточенные по­ стоянные Cg и Rg или Са и Ra в зависимости от того, где они находятся отно­ сительно калибровочного напряжения: на стороне кристалла или на стороне усилителя. 1 — пьезоэлектрический элемент, 2 — вход усилителя, 3 — калибро­

вочное напряжение, связи.

частота спада. На частотах ниже частоты спада вг делится между Ra и 1/соCg, и отношение e je a увеличивается с уменьше­ нием частоты со скоростью 6 дБ/октава. На еще более низкой частоте е, будет делиться между Rg и Ra, и отношение e je a опять станет постоянным, но это произойдет на слишком низ­ кой частоте, чтобы это можно было наблюдать. Сравнительно высокая частота спада указывает на то, что Ra меньше обычного значения и наблюдается, например, в том случае, когда в гид­ рофон проникает влага.

3. К. п. д. и другие параметры

Многие электроакустические параметры, такие, как к. п. д„ зависят от измеренных параметров: чувствительности, направ­

3.Bobber R. }., Interference Versus Frequency in Measurements in a Shallow Lake, J. Acoust. Soc. Am., 33, 1211 (1961).

4.Stenzel H., Leitfaden zur Berechnung von Schallvorgangen, Springer, 1939. English translation by A. R. Stickley, Handbook for the Calculation of

Sound Propagation Phenomena, Naval Res. Lab. Translation № 130.

5.Sonar Calibration Methods, Summary Technical Report of NDRC Div. 6, Vol. 10.

6.American Standard Procedures for Calibration of Electroacoustic Transdu­ cers, Particularly Those for Use in Water, Z24.24-1957, USA Standards Institute, New York.

7.Bukmore R. W., Hansen R. C., Antenna Power Densities in the Fresnel Region, Proc. IRE, 47, 2119 (1959).

8. Sabin G. A., Calibartion of Piston Transducers at Marginal Test Distances,

J.Acoust. Soc. Am., 36, 168 (1964).

9.Bobber R. J., Sabin G. A., Cylindrical Wave Reciprocity Parameter, J. Aco­ ust. Soc. Am., 33, 446 (1961).

10.Yamada K-, Acoustic Response of a Rectangular Receiver to a Rectangular

№ 2,451,509, filed 5 July 1944.

12.Goldman S., Frequency Analysis, Modulation and Noise, McGraw-Hill Book Co., New York, 1948.

13.Cherry C., Pulses and Transients in Communication Circuits, Dover Publ.r New York, 1950.

14.Davie О. H., The Elements of Pulse Techniques, Reinhold Publ. Corpora­ tion, New York, 1964.

18.Wallace J. D., McMorrow E. W., Sonar Transducer Pulse Calibration Sys­ tem, J. Acoust. Soc. Am., 33, 75 (1961).

19.Green С. E., Roshon J. R., Sonar Calibration in a Controlled PressureTemperature Environment, J. Acoust. Soc. Am., 42, 1188(A) (1967).

20.Green С. E., Pressure/Temperature Vessels for Calibrating Sonar Transdu­ cers, Naval Undersea Warfare Center Report TP45, May 1968.

21.Roshon J., Electroacoustic Transducer Calibration Combined with Semiauto­ matic Data Reduction, J. Acoust. Soc. Am., 32, 1519(A) (1960). См. также Naval Electronics Laboratory Technical Memorandum TM-469 of 18 Apr.

1961.

22. Wathen-Dunn W., On the Reciprocity Free-Field Calibration of Micropho­ nes, J. Acoust. Soc. Am., 21, 542 (1949).

23.Bobber R. J., General Reciprocity Parameter, J. Acoust. Soc. Am., 39, 680' (1966).

24.Trott W. J., International Standardization in Underwater Sound Measure­ ments, Acustica, 20, 169 (1968).

IV

МЕТОДЫ БЛИЖНЕГО ПОЛЯ

4.1. ВВЕДЕНИЕ

Нижняя граница диапазона частот, в котором можно ус­ пешно произвести градуировку, испытания или оценочные из­ мерения в малом объеме воды, вообще говоря, зависит от ми­ нимального возможного расстояния между преобразователями, критерии которого рассматривались в разд. 3.4. Эти критерии показывают, что, когда диаметр или длина преобразователя до­ стигают нескольких длин волн, минимальное допустимое рас­ стояние между излучателем и приемником должно быть значи­ тельно больше длины волны. На частотах в несколько килогерц это расстояние становится очень большим, поэтому в значитель­ ной степени сказывается влияние помех от границ, что иллюстри­ рует рис. 3.29. В разд. 3.4 указывалось также, что, независимо от того, проводятся измерения в непрерывном или импульсном режимах, наименьшее измерительное расстояние целесообразно использовать для минимизации влияния отражений от границ.

В конце 50-х годов стало очевидным, что небольшие озера, пруды и бассейны, где ВМС проводили измерения, в связи с пе­ реходом на частоты порядка нескольких килогерц и появлением больших преобразователей начали истощать свои пространствен­ ные возможности (в длинах волн). Чтобы продолжать измере­ ния в дальнем поле обычными методами, потребовались бы очень большие объемы воды и очень громоздкое дорогостоящее оборудование. Единственной альтернативой могла бы явиться разработка методики измерений, которая позволила бы изме­ нить или совсем отказаться от требований производить градуи­ ровку преобразователей в дальней зоне свободного поля. Напри­ мер, если бы можно было производить измерения в ближнем поле, или в зоне Френеля, преобразователя и экстраполировать результаты для получения диаграммы направленности и чувст­ вительности в дальнем поле, то это в значительной степени сэкономило бы место и деньги.

Основы математической теории для экстраполяции данных ближнего поля на условия дальнего поля в литературе в ка­ кой-то степени изложены [1—4], но на практике они примене­ ния не нашли. В 1958 г. Лаборатория гидроакустических изме­ рений ВМС (USRL) обратилась с просьбой к Управлению на­

учных исследований ВМС заключить контракт с каким-либо университетом о проведении исследований с целью обобщения и применения этих математических принципов для решения стоящих перед ВМС реальных проблем по градуировке, испыта­ ниям и оценочным измерениям больших преобразователей гид­ роакустических станций. В 1959 г. Хортон, Инис и Бейкер в Л а­ боратории оборонных исследований Техасского университета (DRL) приступили к решению этой задачи. Одновременно в Л а­ боратории гидроакустических измерений Тротт продолжал все­ сторонне исследовать ту же проблему и в конечном счете создал антенную решетку, в ближнем поле которой имеется область существования однородных плоских бегущих волн. Эти два разных подхода к решению проблемы стали называть 1) мето­ дом DRL и 2) решеткой Тротта. Оба метода получили призна­ ние и рассматриваются по отдельности в последующих разделах,

4.2.ТЕОРИЯ МЕТОДА DRL

Воснову метода DRL положены формулы Кирхгофа и Гельмгольца [5—7]. Идею его можно понять из рассмотрения рис. 4.1. Если источник звука находится внутри замкнутой по­

Рис. 4.1. Поверхность интегрирования для формулы Гельмгольца.

верхности S, то давление р (Р ) в любой точке Р, лежащей вне S, может быть определено поверхностным интегралом:

<«>

где p(Q) — комплексная амплитуда давления в точке Q на по­ верхности S, п — внешняя нормаль к поверхности S в точке Q, д/дп обозначает дифференцирование в направлении нормали, г — расстояние от Q до Р, k — волновое число. Уравнение (4.1), известное как формула Гельмгольца, справедливо только для случая синусоидальных волн.

Непосредственное использование формулы Гельмгольца предусматривает измерение амплитуды и фазы как для давле­ ния, так и для градиента давления по всей поверхности S. Од­ нако измерить градиент давления с хорошим пространственным разрешением трудно, поскольку гидрофоны градиента давления имеют размеры порядка 5—13 см (см. разд. 5.12) и в действи­ тельности измеряют градиент давления, усредненный по объему 130—2050 см3. При отсутствии гидрофона градиента давления с очень незначительными размерами (чтобы его можно было ис­ пользовать в качестве зонда) измерить точную величину гради­ ента давления в точке звукового поля невозможно. Чтобы не прибегать к таким измерениям, в методе DRL допускается, что в точку Q приходят почти плоские волны и

Это приближенное равенство справедливо для поверхностей умеренной кривизны, на которых давление меняется не очень резко. Хортон [6] показал, что для цилиндрических волн оно спра­ ведливо, когда диаметр цилиндрического преобразователя превышает длину волны в 5 или более раз. Экспериментальные результаты по градуировке больших цилиндрических л других преобразователей также подтверждают справедливость этого приближения. Тем не менее применимость равенства (4.2) сле­ дует проверять всякий раз, когда преобразователь и поверх­ ность 5 не представляют собой цилиндр или сферу больших раз­ меров.

Второе допущение состоит в том, что расстояние г прини­ мается очень большим. Конечно, это следует автоматически, если уравнение (4.1) используется для расчета диаграммы направ­ ленности или чувствительности в дальнем поле. Тогда

где р — угол между нормалью и прямой, соединяющей точки Р

г и k принимаются постоянными, амплитуда и фаза звукового давления p(Q) измеряются в дискретных точках на поверхности S, расположенных достаточно близко друг от друга, |3 рассчиты­

возбуждении группы из 12 примыкающих друг к другу верти­ кальных полос. Поверхность интегрирования была цилиндриче-

Угал паворота

Рис. 4.3. Примеры графиков, полученных в результате измерений в ближнем поле цилиндрического преобразователя из 12 полос, показывающие положение излучающей поверхности.

зователя, а высота несколько превышала высоту преобразова­ теля. Измерительный гидрофон занимал фиксированное положе­ ние на расстоянии 1,25Я от преобразователя, который -повора­ чивался вокруг оси шагами по 3,6°. Измерения давления и фазы

производились в 100 точках по окружности вокруг преобразова­ теля. Затем измерительный гидрофон передвигали вверх на но­ вый уровень и процесс измерений повторялся. Поверхность ин­ тегрирования в данном случае была незамкнутой. Измерения в точках, находящихся выше и ниже преобразователя, не произ­ водились— предполагалось, что давление в них настолько мало, что им можно пренебречь.

На рис. 4.3 показаны типичные характеристики направлен­ ности, снятые на одном из уровней расположения измеритель­ ного гидрофона. Чтобы решетку из множества точек можно

Рис. 4.4. Сравнение диаграмм направленности, измеренных (кривые) и вы­ численных (точки) для дальнего поля в горизонтальной плоскости цилиндри­ ческого преобразователя из 12 рабочих полос по данным с одного (слева) и с четырех (справа) уровней [7].

было считать сплошной плоскостью, расстояние между сосед­ ними точками наблюдений не должно было превышать 0,8А. Эксперименты показали, что выбор большего расстояния между точками наблюдения в плоскости характеристики направлен­ ности ведет к появлению зубцов, но в ортогональной (или вер­ тикальной) плоскости выбор большего расстояния, по-видимому, возможен. На рис. 4.4 приведены диаграммы направленности, рассчитанные по методу DRL и измеренные обычными методами дальнего поля. В пределах углов ±60° достигнуто хорошее со­ гласие, даже когда используется один набор из 100 точек на одном из уровней расположения измерительного гидрофона.

При использовании линейного гидрофона вместо измеритель­ ного гидрофона-зонда можно добиться лучших результатов. Если длина линейного гидрофона равна высоте цилиндрического излучателя и их оси параллельны, то сканирование произво­ дится за один полный оборот цилиндра, так как зонд интегри­ рует акустические сигналы вдоль своего линейного размера. Ре­ зультаты таких измерений показаны на рис. 4.5. Линейный ги­ дрофон, состоящий из ряда расположенных в непосредственной близости друг от друга дискретных элементов, будет вос­ принимать суммарный сигнал: если элементы соединены между собой электрически последовательно, то измеряется выходное