книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

где Мн — чувствительность образцового гидрофона по напряже­ нию в свободном поле, ен и ех— напряжения холостого хода образцового и градуируемого гидрофонов соответственно. Если размеры градуируемого преобразователя велики, а образцового гидрофона малы, то ен необходимо измерить в нескольких точ­ ках ближнего поля решетки и взять усредненное значение. По­ вторных усреднений можно избежать, если чувствительность S A решетки Тротта по току в режиме излучения для плоской волны в ближнем поле определить путем зондирования ближнего поля образцовым гидрофоном с чувствительностью Мн . Тогда

£ __ ен\м-и

(4.17)

где iA— входной ток решетки. При использовании решетки в ка­ честве образцового излучателя имеем

найти измерением Мх и последующим расчетом Sx из стандарт­

ным методом взаимности, можно воспользоваться проверкой, рассмотренной в разд. 2.3. Это значит, что градуируемый пре­ образователь можно возбуждать током ix и измерять выходное напряжение решетки еА. Если при этом eA/ix= ex/iAj то оба пре­ образователя взаимны.

Если градуируется невзаимный излучатель, то его чувстви­

в режиме приема, которую математически можно определить

аналогичный виду уравнения (4.17). Следовательно, решетку можно использовать как образцовый гидрофон с чувствительно­ стью МА. Тротту не удалось достичь этой стадии, поскольку словесное определение МА неудобно и может привести скорее к путанице, нежели к разъяснению. Это словесное определение величины МА звучит так: отношение выходного напряжения холо­ стого хода решетки к звуковому давлению в дальнем поле, при­

Из вышесказанного очевидно, что после того, как создана решетка Тротта, измерено S A и рассчитано SAJs или МА, ме­ тодика градуировки остается такой, как при обычных измере­ ниях в дальнем поле. Это является одним из важных достоинств метода решетки Тротта.

Для градуировки преобразователей, имеющих пренебрежимо малую ширину, т. е. точечных или линейных, можно воспользо­ ваться разновидностью метода решетки Тротта. Если решетка представлена одной линейной группой излучателей со спадаю­ щей интенсивностью, то она излучает в ближнее поле однород­ ные цилиндрические волны. Давление в ближнем поле будет постоянным вдоль линии, параллельной линейной группе излуча­ телей, и будет уменьшаться на 3 дБ с удвоением расстояния в направлении ее оси. «Точечный» или линейный гидрофон, ориентированный параллельно линейной группе излучателей со спадающей интенсивностью, будет подвергаться воздействию однородного звукового давления. Если линейная группа излуча­ телей расположена вертикально, то она будет в меньшей степени подвержена влиянию отражений от дна и поверхности, чем от боковых границ.

При использовании одиночной линейной группы излучателей нельзя измерить диаграмму направленности, поскольку этот метод ограничен измерением чувствительности точечных и линей­ ных гидрофонов. Чувствительность S L по току в режиме излуче­ ния в ближнем поле линейной группы излучателей со спадаю­ щей интенсивностью измеряется путем зондирования ближнего поля градуированным гидрофоном. В отличие от SA, S L зависит от расстояния до излучателя, поэтому необходимо указывать опорное расстояние. Если расстояние отличается от опорного, то нужно вводить поправку, учитывающую спад на 3 дБ при удвоении расстояния. Не занимаясь уточнением расстояния, можно воспользоваться формулами (4.16) ■— (4.18), подставляя S L и iL вместо SA и iA. Точечные и линейные преобразователи обычно взаимны, и их чувствительность в режиме излучения можно рассчитать по формуле Sx=Mx[Js.

4.7. ПРИМЕНЕНИЯ И ОЕРАНИЧЕНИЯ

Применение метода градуировки, испытаний и оценки преоб­ разователей в ближнем поле связано с различными ограниче­ ниями. Пригодность метода вообще и предпочтение метода DRL или решетки Тротта в частности в большой степени зависят от характера использования измерений и от того, какое относитель­ ное значение имеют данные ограничения. К измерениям,

связанным с выполнением научно-исследовательских и опытно­ конструкторских работ в лаборатории, к контролю качества продукции на заводе и- к измерениям аппаратуры, отремонти­ рованной на кораблестроительных верфях, предъявляются со­ вершенно различные требования. Факторы, влияющие на вы­ бор метода ближнего поля, рассматриваются ниже.

Метод DRL и метод решетки Тротта содержат в себе неко­ торые приближения. Одно из них заключается в том, что элементы, отстоящие друг от друга на расстояние, равное или меньшее 0,8Л, аппроксимируют сплошную плоскость. Это при­ ближение является общим для того и другого метода. Другие приближения относятся только к одному из этих методов.

Имеются замечания, что допущение о взаимосвязи давления и градиента давления в уравнении (4.2) является наиболее слабым звеном метода DRL. Это может служить причиной неко­ торых ошибок при измерении диаграмм направленности на углах, в значительной степени удаленных от основного луча. Еще важнее отметить то обстоятельство, что сам метод не дает способа оценки ошибок, обусловленных приближением (4.2).

Вметоде решетки Тротта также используется предположение

округовой симметрии. Однако конструкция решетки Тротта может быть испытана зондированием и составлением карты ближнего поля. Следовательно, величину ошибок, возникающих вследствие принятых приближений или несовершенства конструк­ ции и ее выполнения, можно измерить. Например, 10-метровая линейная группа излучателей, используемая в решетке рис. 4.24, первоначально была сконструирована в виде трех соединенных друг с другом линий длиной по 3,35 м. Несмотря на то что сое­ динительные фланцы этих линий были ажурны и акустически прозрачны, все же использование их приводило к искажению звукового поля. Причина этого явления не была установлена, но переход на одиночную непрерывную 10-метровую линейную группу излучателей позволил избежать искажений.

Метод ближнего поля был разработан главным образом для экономии места, и это является его основным достоинством.

Необходимость экономии пространства исходит из двух требова­ ний. Первое требование, рассмотренное в разд. 3.2 и 4.1, связано с минимизацией помех от границ небольших объемов воды. Вто­ рое связано с тем, что во всех электроакустических измерениях важно поддерживать известные относительные ориентации и рас­ стояния между излучателем и гидрофоном. Чтобы можно было испытывать преобразователи на полигонах в больших и глубо­ ких внутренних озерах или в океане, нужно использовать плаву­ чие платформы. Для реализации преимуществ, которые дают измерения в условиях свободного поля, преобразователи должны быть установлены довольно глубоко. На практике этому условию

если расстояние между излучателем и гидрофоном равно 30 м или более, то это ведет к большим трудностям при установке фиксированной ориентации гидрофона относительно излучателя. Нестабильность платформы и среды, а также недостаточная жесткость механических конструкций креплений могут вызвать, значительные ошибки в установлении относительного положения излучателя и гидрофона. Эти ошибки сводятся к минимуму, когда координатники излучателя и гидрофона соединены в еди­ ной конструкции. Чем меньше расстояние между излучателем и гидрофоном, тем легче выполнимы и более эффективны такие

методом решетки Тротта. Поверхность интегрирования в методе DRL можно выбрать в непосредственной близости от рабочей поверхности градуируемого преобразователя, и поэтому она меньше, чем при использовании решетки Тротта, размеры кото­ рой примерно в 2 раза превышают ширину градуируемого пре­ образователя. Теоретически нет оснований считать, что решетка Тротта должна быть только плоской, но в настоящее время раз­ работаны и практически используются только такие решетки.

Однако преимущества метода DRL, связанные с экономией пространства, проявляются только при градуировке преобразо­ вателей более или менее правильной формы. Ведь в методе DRL поверхности интегрирования нужно выбирать в непосредствен­ ной близости от преобразователей, и они должны повторять их форму. Решетку Тротта можно использовать для градуировки преобразователей любой формы. Если поверхность интегриро­ вания в методе DRL можно уподобить плащу-дождевику, то в методе Тротта решетку можно сравнить с зонтом.

Метод ближнего поля наиболее целесообразно использовать, для градуировки больших преобразователей в диапазоне частот 1—10 кГц. Ограничение на высоких частотах определяется рас­ стоянием между элементами в решетке Тротта, равным 0,8Я,,,

или расстоянием между двумя соседними точками измерений гидрофоном-зондом в методе DRL. Размеры элементов в ре­ шетке Тротта и измерительного гидрофона в методе DRL дол­ жны быть достаточно малы, чтобы быть акустически невидимыми (их максимальные размеры не должны превышать 0,1Я). Метод ближнего поля можно было бы использовать на низких ультра­ звуковых частотах, но в этом диапазоне он не имеет больших преимуществ перед обычными методами.

У самого метода ближнего поля нет ограничений на низких частотах. Однако на частотах ниже 1 кГц направленные

250 Гл. IV. Методы ближнего поля

преобразователи приобретают громадные размеры, поэтому и механизм сканирования в методе DRL, и решетка Тротта должны были бы быть очень большими. Вместе с тем при длинах волн, равных 1,5 м и более, расстояния между уровнями измерения гидрофоном-зондом или между соседними излучателями в ре­ шетке Тротта возрастают и не обязательно должны устанавли­ ваться очень точно. В этом случае можно было бы не предъявлять слишком жестких требований к механизму сканирования и к кон­ струкции решетки. Механизм сканирования зондового гидрофона в методе DRL, по всей вероятности, легче приспособить к раз­ личным размерам преобразователей, нежели решетку Тротта, и, следовательно, обеспечить с его помощью градуировку в более широком диапазоне частот.

Решетка Тротта обеспечивает непосредственную выдачу ре­ зультатов измерений в реальном масштабе времени. Этот метод совместим с обычными измерениями. Если имеется в наличии решетка, то не требуется больше никакого другого специального оборудования и обучения персонала.

Измерения и вычисления по методу DRL проводятся последо­ вательно. Значит, выходные данные тотчас же получить нельзя. Однако последовательные действия обеспечивают изучение зву­ кового поля от точки к точке, что полезно для определения структуры поля.

Метод DRL очень специфичен тем, что совершенно не похож на обычные методы: он требует специальной методики измере­ ний и специально подготовленного персонала. Этот метод никак нельзя считать универсальным. В тех случаях, когда схема из­ мерений и форма преобразователей одинаковы, универсальность не имеет значения и неудобства метода не проявляются.

Для сканирования зондовым гидрофоном в методе DRL нужна более сложная механическая система, чем для простого вращения градуируемого преобразователя. Сканирование свя­ зано с конструированием дистанционно управляемой механиче­ ской системы координатно-поворотного устройства, необходи­ мость в которой возникает при работе в закрытой камере высо­ кого давления или на конце глубинной подвески.

Метод DRL требует первоначальных больших капиталовло­ жений при конструировании и изготовлении системы сканирова­ ния зондового гидрофона, относительно небольшого количества электронных генераторов и измерительного оборудования, а также использования электронной вычислительной машины. Все это является сравнительно обычным делом механической, электронной и вычислительной техники.

Для метода решетки Тротта также требуется относительно небольшое число обычных электронных приборов, но они уже могут иметься в комплекте обычного градуировочного оборудо­

вания. Основные затраты падают на разработку и изготовление самой решетки, что является необычной и сложной технической задачей.

В заключение можно сказать, что достоинствами метода DRL являются минимальное используемое пространство, относитель­ ная независимость от частотного диапазона, пригодность для повторных измерений, определение структуры звукового поля и использование обычного оборудования. Достоинства метода ре­ шетки Тротта заключаются в непосредственном получении ре­ зультатов градуировки, независимости от форм градуируемых преобразователей, в возможности экспериментальной проверки теоретических приближений, совместимости с обычными измере­ ниями и в возможности дистанционной градуировки.

Литература

1.ъах М., Feshbach Н., On the Radiation Problem at High Frequencies, J.. Acoust. Soc. Am., 19, 682 (1947).

2.Morse P. M., Feshbach H., Methods of Theoretical Physics, McGraw-Hill Book Co., New York, 1953, Part I, Chap. 7.

3.Baker В. B., Copson E. T., The Mathematical Theory of Huygens’Principle,

2nd ed., Clarendon Press, Oxford, 1950, p. 20—38.

4. Pachner J., On the Dependence of Directivity Patterns on the Distancefrom the Emitter, J. Acoust. Soc. Am., 28, 86 (1956).

5.Horton C. W., lnnis G. S., Jr., The Computation of Far-Field Radiation Patterns from Measurements Made Near the Source, J. Acoust. Soc. Am., 33, 877 (1961).

6.Horton C. W., Acoustic Impedance of an Outgoing Cylindrical Wave, J. Acoust. Soc. Am., 34, 1663 (1962).

7.Baker D. D., Determination of Far-Field Characteristics of Large Under­ water Sound Transducers from Near-Field Measurements, J. Acoust. Soc. Am., 34, 1737 (1962).

8.Trott W. J., Transducer Calibration from Near-Field Data, Navy Under­