книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

и давление имели опорное значение или чтобы вместо (1.7) ис­ пользовалась комбинация из (1.4) и (1.5). Таким образом, мы имеем отношение отношений:

<L8>

где (eoc/Pf) о — уровень опорной чувствительности. Опорное на­ пряжение всегда равно 1 В.

В подводной акустике опорное давление в свободном поле принято равным 1 мкПа. Но могут встречаться и другие уровни, приведенные на рис. 1.1, особенно в результатах ранних изме-~ рений. Поэтому уровень чувствительности по напряжению в сво­ бодном поле дается в дБ, приведенных к 1 В, деленному на мкПа, или, сокращенно, дБ относительно 1 В/мкПа.

Уровень чувствительности преобразователя в режиме излуче­ ния по отношению к току возбуждения также дается в дБ от­ носительно 1 мкПа на 1 м, деленного на ампер. Поскольку чувст­ вительность почти всегда выражается в децибелах, термин уро­ вень обычно не употребляется. «Чувствительность» и «уровень чувствительности» понимаются как синонимы.

Система децибел не лишена неудобств. Трудности возникают в основном в связи с попытками расширить ее применение. Пред­ положим, например, что в конкретном случае желательно полу­ чить чувствительность преобразователя в режиме излучения в виде отношения выходной акустической мощности к напряже­ нию на входе. Логарифм отношения Р/е не будет удовлетво­ рять уравнениям (1.1) и (1.4) ни с коэффициентом 10, ни с ко­

вень чувствительности необходимо было бы выразить в ваттах на квадратный вольт (Вт/в2). Можно также показать, что ис­ пользовать децибелы по отношению к параметрам типа импе­ данса Z нецелесообразно, поскольку 101gZ и 20 lg Z встре­ чаются в различных ситуациях, например 101gP=10 1g (i2R ) и 20 lg (e/i) =20 lgP . Наконец, пользующиеся децибелами иногда забывают, что число децибел представляет собой отношение, вы­ раженное в виде показателя степени числа 10, и не дает фак­ тического значения какой-либо величины; следовательно, деци­ белы не подчиняются обычным арифметическим правилам. Удвоение амплитуды давления не удваивает уровня давления; оно увеличивает его на 6 дБ (фактически 6,02 дБ = 20 lg2 = 20X

Х0,301, поскольку 2=100’301).

Децибелы не следует усреднять, кроме тех случаев, когда нужно определять среднее геометрическое значение или когда разность между средним арифметическим и средним геометриче­

ским значениями пренебрежимо мала. В тех случаях, когда разность в уровнях не превышает 4,0 дБ, средний уровень (сред­ нее геометрическое значение) будет отличаться от уровня усред­ ненного сигнала (среднее арифметическое значение) не более чем на 0,2 дБ. Ошибка, возникающая при усреднении децибел, всегда приводит к получению заниженного уровня.

1.7. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Единицы измерений, используемые в подводных научных ис­ следованиях и технике, составлены, к сожалению, из систем ан­ глийской, СГС и МКС. Смешение этих систем обусловлено тем, что подводная акустика включает в себя многие области дея­ тельности — от основ теории до производства аппаратуры. Кроме того, на использование и выбор единиц измерений ока­ зывают влияние военно-морские и морские традиции. В одном и том же научном докладе или в дискуссии можно встретить и морские сажени и сантиметры. Ученые, которые старательно со­ действуют употреблению таких единиц, как метры, литры, нью­ тоны и т. д., еще сами систематически используют фунты на квадратный дюйм для гидростатического давления. Полагают,, что со временем это дело улучшится. В данной книге использу­ ются широко распространенные на практике единицы измерений.

Специалисты-электроакустики попадают в особенно необыч­ ную ситуацию, так как они одновременно имеют дело с электри­ ческими и акустическими параметрами. Для электрических из­ мерений используется практическая система, или МКСА, в то время как для измерения акустических величин, таких, как дав­ ление, колебательная скорость, плотность и т. д.,— система СГС. В результате применения разнородных систем чувствительность гидрофона, например, выражается в вольтах на дин/см2. Еще хуже обстоит дело с единицей чувствительности преобразова­ теля в режиме излучения по току, которая обычно выражается

Однако в некоторых приложениях специалисты ВМС предпочи­ тают измерять звуковое давление на расстоянии 1 ярда вместо 1 м, вводя таким образом в один параметр все три системы единиц.

у тех, кто наиболее чувствителен к традициям или к расходам, связанным с внедрением системы МКСА.

Ниже приводятся единицы измерений для некоторых наибо­ лее распространенных параметров, а также некоторые перевод­ ные коэффициенты.

Электроакустические параметры почти всегда выражаются относительно опорных уровней, и единицей их измерения яв­ ляется децибел. В этих случаях имеет значение как величина, так и вид единиц, используемых в опорных уровнях. В разд. 1.3 и на рис. 1.1 приводились различные опорные давления. Каж­ дое из них может быть подставлено вместо давления в опорных значениях для следующих величин:

Поскольку все разногласия относительно опорных уровней относятся к давлению, а не к напряжению или току, то разли­ чия в уровнях, приведенные на рис. 1.1, будут также иметь от­ ношение к уровням чувствительности на прием и на излучение. Например, замена уровня звукового давления с 1 дин/см2 на 1 мкПа будет соответствовать изменению уровня чувствитель­ ности на прием на —100 дБ и изменению уровня чувствитель­ ности преобразователя в режиме излучения на +100 дБ.

1.8. БУКВЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В книге используются буквенные обозначения, принятые в качестве стандартных обозначений Институтом стандартов США [29]. Некоторые символы — такие, как М для обозначения самого микрофона или его чувствительности в режиме приема и S для обозначения излучателя или его чувствительности в ре­ жиме излучения,— в указанном стандарте не определены, но они применяются в других родственных стандартах [16, 28]. Та­ кие же обозначения приняты и здесь. Обозначения опреде­ ляются там, где они вводятся. Сводка обозначений дается в при­ ложении; основные обозначения и определяющие их индексы даны раздельно. Английского и греческого алфавитов не хва­ тает для однозначного набора обозначений. Там, где одна буква имеет более одного значения, смысл, в котором она исполь­ зуется, обычно ясен из контекста.

1.9. АНАЛОГИИ И ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

. Электромеханические и электроакустические аналогии ши­ роко используются в электроакустике в качестве аналитического средства. Каждому, кто хочет хотя бы в общих чертах позна­ комиться с электроакустикой с разными целями, должны быть известны хотя бы основы этих аналогий.

Старейшей и наиболее широко используемой из двух типов аналогий является прямая, или импедансная, аналогия. Эта ана­ логия используется и в нашей книге. Олсон [9] и другие авторы [5, 7] описывают ее достаточно подробно. Основой импедансной аналогии является эквивалентность приведенных ниже характе­ ристик:

сила — напряжение колебательная скорость — ток механический импеданс — электрический импеданс

Импедансную аналогию наиболее целесообразно применять для преобразователей, в которых используется электрическая связь (пьезоэлектрических или емкостных).

Обратная аналогия, или аналогия подвижности, разработан­ ная Файестоуном [30, 31], основана на следующих аналогиях:

сила — ток колебательная скорость — напряжение

механическая проводимость (подвижность) — электрический им- ^ педанс

Аналогию подвижности удобнее всего применять для пре­ образователей, в которых используется магнитная связь (магнитострикционных и электродинамических). В тех случаях, когда принцип аналогий используется для описания чисто механиче­ ской или акустической систем, применима любая аналогия и выбор ее произволен. Однако, как уже говорилось, на практике наиболее часто используется импедансная аналогия.

В дополнение к использованию аналогий в акустике и элект­ роакустике очень удобно привлекать теорию электрических це­ пей. Теорема Тевенина, теория фильтров, теорема суперпозиции, условия согласования импедансов, уравнения передающих ли­ ний, анализ формы сигнала и т. д.— все это прямо или косвенно используется в акустике. Эти вопросы подробно изложены в ряде работ по технике связи, в частности в книгах Термэна [32] и Эверита [33].

2.Drost-Hansen W., The Puzzle of Water, Intern. Sci. and Technology, Oct. 1966, p. 86.

3.Glos M., Is Water What We Think It Is? Sci. Res., Aug. 1967, p. 71.

4.Beranek L. L., Acoustic Measurements, John Wiley and Sons, New York, 1949. (Русский перевод: Л. Л. Беранек, Акустические измерения, ИЛ, М.,

W. Berlin, 1950, and an English translation by S. Ehrlich and F. Pordes, Fundamentals of Electroacoustics, Intersci. Publ., New York, 1955.

8.Horton J. W., Fundamentals of Sonar, United States Naval Institute, An­ napolis, Maryland, 1957, NAVSHIPS 92719. (Русский перевод: Д. У. Хор­ тон, Основы гидролокации, Судпромгиз, Л., 1961.)

9. Olson Н. F., Acoustical Engineering, D. Van Nostrand Co., Princeton,

N.J., 1957, Chap. X.

10.Richardson E. G., Technical Aspects of Sound, Vol. II, Elsevier Publ. Co., London, 1957, Chap. 4.

11.Albers V. M., Underwater Acoustics Handbook, Pennsylvania State Univ. Press, 1960, Part 4.

14.Meyer E., Neumann E. G., Physikalische und Technische Akustik, Friedr., Vieweg & Sohn., Braunschweig, 1967.

15.Urick R. J., Principles of Underwater Sound for Engineers, McGraw-Hill Book Co., New York, 1967.

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

J.Acoust. Soc. Am., 9, 812 (1938).

26.MacLean W. R., Absolute measurement of sound without a primary stan­ dard, J. Acoust. Soc. Am., 12, 140 (1940).

27.Cook R. K., Absolute pressure calibration of microphones, J. Acoust. Soc. Am., 12, 415 (1941).

28.American Standard Acoustical Terminology, SI.1-1960 (Revision of Z24.1- 1951), American National Standards Institute, New York, 1960.

29.American Standard Letter Symbols for Acoustics, Y10.11-1953, American

32.Terman F. E., Radio Engineers Handbook, McGraw-Hill Book Co., New York, 1943.

33.Everitt W. L., Communication Engineering, McGraw-Hill Book Co., New York, 1937.

II

МЕТОДЫ И ТЕОРИЯ

2.1. ВВЕДЕНИЕ

Наиболее часто используемым электроакустическим пара­ метром является чувствительность гидрофона по напряжению в свободном поле, выраженная в функции частоты. Чувстви­ тельность гидрофона обычно определяется методом сравнения или методом взаимности. Теория этих двух методов, которые широко используются, рассматривается в этой главе, а практи­ ческие детали градуировки образцовых гидрофонов и пре­ образователей гидролокационных станций в свободном поле или

даются в этой главе. Методы описываются достаточно полно, чтобы познакомить читателя с условиями их применимости и существующими ограничениями. Дополнительные сведения можно найти в цитируемой литературе. Методу ближнего поля, как уникальному и наиболее современному, посвящена отдель­ ная глава (гл. IV).

Методы градуировки преобразователей, для которых не тре­ буется образцовый преобразователь с известной чувствитель­ ностью, рассматриваются как первичные. В первичном методе измеряются следующие основные величины: напряжение, сила тока, электрический и акустический импедансы, длина, масса (или плотность) среды и время (или частота). На практике обычно не измеряют непосредственно значения плотности, ско­ рости звука, модулей упругости, а берут эти величины из спра­ вочника.

К вторичным методам относятся те методы, в которых в ка­ честве образцового используется преобразователь (обычно гид­ рофон), отградуированный первичным методом. Примером вто­ ричного метода является градуировка гидрофона путем сравне­ ния с образцовым. Поскольку при первичной градуировке допускается применение калиброванных импедансных мостов, вольтметров, генераторов и т. д., но не допускается применение отградуированного гидрофона, то разделение методов "на первич­ ные и вторичные довольно условно; тем не менее в гидроаку­ стике такое деление существует.