книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

сравнения, здесь возможны четыре основных источника ошибок: 1) измерение напряжения не соответствует режиму холостого хода, 2) нестабильность образцового преобразователя, 3) нару­ шение условий свободного поля, 4) недостаточно большое отно­ шение сигнал/шум.

Выходное напряжение и чувствительность гидрофона изме­ ряются на определенной паре клемм. Если гидрофон не имеет предусилителя, эти клеммы находятся на конце кабеля, причем кабель нельзя заменить, не нарушив тем самым результатов градуировки. Необходимо также твердо установить условия для заземления, например заземлять и экран кабеля, и один из вы­ водов гидрофона на конце кабеля.

Вольтметр или другой прибор для измерения напряжения на конце гидрофонного кабеля должен иметь очень высокий вход­ ной импеданс по сравнению с выходным импедансом гидро­ фона, или влияние нагрузки должно быть измерено (разд. 3.6). Гидрофоны с высокоимпедансными пьезоэлементами малых раз­ меров и предусилителями градуируются на выходе пьезоэле­ мента или на конце кабеля. В первом способе необходимо ис­ пользовать специальную измерительную цепь или цепь связи (разд. 3.6), чтобы учесть влияние нарушения условий холостого хода на конечной нагрузке и коэффициент усиления или ослаб­ ления предусилителя. Этот тип градуировки «на выходе кри­ сталла» применяется с самого начала разработки методов гра­ дуировки гидроакустических станций во время второй мировой войны. Его основная идея — избавиться от «капризов» предуси­ лителей. Однако опыт, накопленный со времени второй мировой войны, показывает, что электронный предусилитель (обычно ка­ тодный повторитель) столь же стабилен, как электроакустиче­ ский элемент. С накоплением этого опыта и с созданием еще более стабильных полупроводниковых предусилителей стали ис­ пользоваться и вошли в практику методы градуировки гидро­ фонов на конце кабеля. Задача измерения напряжения холо­ стого хода является общей для всех методов градуировки и при использовании гидрофонов с высоким внутренним импе­ дансом.

Гидрофоны подвержены многим воздействиям, которые на­ рушают стабильность их чувствительности. Гидростатическое давление, температура, небрежное обращение, загрязнение, кор­ розия, затекание воды и т. д. — вот некоторые из наиболее оче­ видных вредных влияний; другие факторы действуют слабее, но

в свободном поле превосходят его преимущества, и способ одно­ временного погружения преобразователей используется редко.

Отношение сигнал/шум есть отношение амплитуды измеряе­ мого сигнала к нежелательным, но всегда присутствующим электрическим и акустическим шумам. Шум должен быть доста­ точно мал.относительно сигнала, если последний нужно изме­ рить точно. Именно это ограничение делает невозможной гра­ дуировку гидрофонов очень малой чувствительности.

2.2.2. Градуировка гидрофона с помощью образцового излучателя

Гидрофон можно отградуировать сравнением с образцовым излучателем, а не с образцовым гидрофоном. Если излучатель питается током, измеренное значение которого равно is, а чувст­ вительность излучателя по току S s, то звуковое давление в сво­ бодном поле на расстоянии d м от излучателя на его акустиче­ ской оси равно isS s/d. Если градуируемый гидрофон помещен в эту точку и его выходное напряжение холостого хода равно ех, то чувствительность гидрофона в свободном поле

Расстояние d должно быть достаточно большим, чтобы эф­ фекты близости двух преобразователей были пренебре­ жимо малы.

В этом способе градуировки требуется только один преобра­ зователь, кроме градуируемого гидрофона, и фиксированное расположение оборудования. Однако использование образцовых излучателей для градуировки гидрофонов имеет серьезные не­ достатки, которые рассматриваются в разд. 2.2.4.

2.2.3. Градуировка гидрофонов методом сравнения в малых камерах

Одновременное воздействие на образцовый и градуируемый гидрофоны одним и тем же полем чаще всего производится при возбуждении звука в малой замкнутой камере. Если наиболь­ ший размер замкнутой камеры намного меньше длины звуковой волны в воде, то звуковое давление во всех точках внутри ка­ меры практически одинаково. Камера должна быть замкнутой в том смысле, что водная среда полностью заключена внутри высокоимпедансных или жестких стенок камеры. Любая подат­ ливость: граница раздела вода—воздух, воздушный пузырек, гибкая стенка или другая низкоимпедансная граница — приво­ дит к большим градиентам давления. В качестве иллюстрации рассмотрим два маленьких участка системы со стоячей волной

(рис. 2.1). В местах, где волновой импеданс велик, или в пуч­ ности давления, амплитуда давления медленнее изменяется с расстоянием, чем в местах, где импеданс мал, или в узлах давления.

Рис. 2.1. Распределение звукового давления (сплошная кривая) и колебательной скорости (пунктир) в стоячей волне. 1 — плоскость высокого импеданса (р/и_>_оо); 2 — распределение давления вблизи жесткой границы; 3 — плос­ кость низкого импеданса (р/и=0); 4 — распределение давления вблизи мягкой границы.

Звуковое давление, действующее на каждый гидрофон в ма­ лой камере, практически одинаково. Оно равно истинному, не­ посредственно действующему на гидрофон давлению, и поэтому,

Р и с. 2.2. Эквивалентная схема гидрофона в свободном поле. Звуковое давле­ ние свободного поля представлено акустическим генератором Тевенина. ра— возбуждаемое давление; рь — давление, создаваемое генератором Тевенина на заторможенной диафрагме гидрофона; pf — давление в свободном поле; Zr — импеданс излучения гидрофона; D — коэффициент дифракции; Za — акустиче­

ский импеданс гидрофона; е — электрическое напряжение.

если нужно получить градуировку по свободному полю, необхо­ димо знать связьмежду этим давлением и соответствующим давлением в свободном поле. Если чувствительность гидрофона определяется по отношению к непосредственно действующему на гидрофон давлению, градуировка называется градуировкой «по давлению». Чтобы выяснить соотношение между чувствитель­ ностями «по давлению» и «по свободному полю», рассмотрим рис. 2.2. Гидрофон в свободном поле представлен блок-схемой

3*

с двумя выходными электрическими клеммами и двумя вход­ ными акустическими клеммами. На входные клеммы действует давление ра. Входной акустический импеданс равен Za. Плоские бегущие волны в свободном поле с давлением р/, которые па­ дают на гидрофон, создаются акустическим генератором Тёвенина. Давление рь, создаваемое этим генератором, равно сред­ нему давлению, действующему на диафрагму гидрофона, когда диафрагма заторможена, т. е. когда Za->оо. Импеданс генера­ тора Zr есть акустический импеданс, измеренный на зажимах гидрофона со стороны акустического генератора. Тогда Zr пред­ ставляет собой импеданс излучения, измеренный на диафрагме гидрофона со стороны воды. Связь между давлением на за­ торможенном преобразователе и давлением в свободном поле определяется формулой

где D называется коэффициентом дифракции. Величина D за­ висит от размера гидрофона и длины волны и может изменяться от 0 до 2 [1, 2]. Если максимальный размер гидрофона L много меньше, чем длина волны X, то £> = 1 (см. разд. 5.2, где дифрак­ ция рассмотрена подробнее). Давление на заторможенном пре­ образователе и действующее давление связаны соотношением

3>Zr, то pf = pa, и чувствительности по свободному полю и по давлению равны.

Как правило, чувствительности по давлению измеряются и используются только тогда, когда они равны чувствительностям по свободному полю. В любом случае правильная градуировка в камере получается лишь при L<CX и Za3>Zr для всех исполь­ зуемых гидрофонов. Эти критерии применимы как для градуи­ ровки сравнением, так и для первичной градуировки в малой камере, описанной ниже. Исключением может быть случай, когда градуируемый и образцовый гидрофоны при градуировке методом сравнения имели бы одинаковые Za, Zr и D.

Поскольку гидрофон должен помещаться в камеру, которая много меньше длины волны, то требование L<CX выполняется автоматически и ZTдолжно быть мало. Фактически все обычные гидрофоны, кроме электродинамических, удовлетворяют условию Za^>Zr, за исключением области вблизи резонанса.

Таким образом, в малой камере можно градуировать малые, акустически жесткие гидрофоны.

На рис. 2.3 представлена типичная схема замкнутой камеры. На рис. 2.4 показана эквивалентная схема этой системы. Пред­

полагается, что скорость частиц в среде пренебрежимо мала, за исключением области, находящейся вблизи диафрагмы. Следова­ тельно, вблизи диафрагмы акустический импеданс представляет собой инерцию массы малого объема среды. Вне этой об­ ласти акустический импеданс представляет собой гибкость срав­ нительно большого объема среды. Импедансы стенок камеры

Рис. 2.3. Типичная система с малой замкнутой камерой. 5 —■образцовый гид­ рофон; X — градуируемый гидрофон; е3 и ех — выходные напряжения; m — масса жидкой среды вблизи диафрагмы; С.— гибкость среды вдали от диа­ фрагмы. 1 — источник звука, 2 — диафрагма.

или ее границ и гидрофонов включены параллельно с гибкостью среды, но предполагаются большими. Формула метода сравне­ ния в малых камерах совпадает с формулой градуировки в сво­ бодном поле — уравнение (2.1) или (2.2).

гп

Рис. 2.4. Эквивалентная схема системы, показанной на рис. 2.3; Zw, Zs и Zx — импедансы стенок, образцового гидрофона и градуируемого гидрофона соот­ ветственно; р — давление в удаленной от диафрагмы части камеры.

В этом методе средой может быть не только вода. Можно использовать и другие жидкости — обычно это делается для по­ лучения большей длины волны или изменения электропровод­ ности среды. Можно использовать воздух и другие газы, но только за счет повышения нижней рабочей частоты.

Длина волны в воздухе составляет — Vs длины волны в воде на той же частоте. Предположение о малости размеров камеры по сравнению с длиной волны становится неверным в воздухе на частоте, равной (Д соответствующей частоты в воде. По­ скольку гибкость С среды на рис. 2.3 и 2.4 становится большой,

38 Гл. II. Методы и теория

когда средой является воздух, то р мало, если только колебатель­ ная скорость и не увеличится соответственно. Скорость можно увеличить, используя в качестве излучателя громкоговоритель. Использование воздуха в качестве акустической среды приводит к низкому импедансу по всему объему полости камеры, а не только в отдельных точках. Поэтому гидрофон с низким импе­ дансом не нарушает однородности давления. Применение воздуха позволяет измерять чувствительность по давлению гидро­ фона и с низким импедансом, но такие градуировки находят малое применение в гидроакустике.

В одном из вариантов этого метода камера делается откры­ той. При этом она имеет настолько малые размеры и так устроена, что m обозначает массу воды (рис. 2.3 и 2.4), Zw и 1/соС равны нулю и гидрофоны помещаются в движу­ щуюся массу воды. Дальнейшие подробности об этом довольно специальном методе приведены в разд. 2.5.2.

2.2.4. Градуировка излучателей

Градуировка излучателя означает измерение его чувстви­ тельности по току или по напряжению. При градуировке обычно используется чувствительность по току, связанная с чувстви­ тельностью по напряжению в свободном поле обратно пропор­ циональной зависимостью. Чувствительность по напряжению ис­ пользуется в гидролокации и других практических приложениях, где напряжение является более привычным, легче измеряемым параметром или более постоянным при изменении частоты, чем ток. Ни одна из чувствительностей в режиме излучения не реко­ мендуется для использования в работах по точной градуировке, потому что, помимо прочего, для этого потребуются особенно хорошие условия свободного поля. Чувствительность в режиме излучения относится к звуковому давлению, создаваемому на рас­ стоянии 1 м от излучателя в свободном поле. На практике из­ мерения можно производить на больших расстояниях. Давление и чувствительность зависят как от преобразователя, так и от среды, в которую он излучает звуковую энергию. При градуи­ ровке или использовании образцовых излучателей происходит меньшее количество взаимных компенсаций погрешностей, чем при градуировке методом сравнения гидрофонов, так как в по­ следнем случае измеряется только отношение (или разность в дБ) двух напряжений.

Частотная характеристика излучателя менее постоянна, чем гидрофона. Излучатели обычно крупнее образцовых гидрофонов, поэтому они сильнее подвержены дифракционным эффектам и имеют больше паразитных резонансов. Некоторые излучатели нелинейны и нестабильны на резонансной частоте или вблизи

нее. Все это говорит против использования образцовых излу­ чателей.

Излучатели могут быть очень стабильными на частотах вне области резонанса — даже более стабильными, чем гидрофоны, так как электрический импеданс излучателя ниже и менее чув­ ствителен к изменению сопротивления утечки и паразитной емкости. Будучи большими по размерам, они обладают направ­ ленностью. В той области частот, где излучатели стабильны и обладают направленностью, их можно градуировать и использо­ вать в качестве гидрофонов. Большинство образцовых гидрофо­ нов имеют малые размеры только потому, что небольшие гид­ рофоны удобнее в обращении, так как не обладают направлен­ ностью и их чувствительности постоянны в широком диапазоне частот (разд. 5.2).

Излучатели обычно градуируют как часть гидролокатора, оке­ анографической или Другой подводной электроакустической си­ стемы. Градуировка производится, когда излучатель помещен в свободное поле и электрически возбуждается номинальным током ix или напряжением ех.

На расстоянии d м от излучателя на его акустической оси помещается образцовый гидрофон с известной чувствитель­ ностью в свободном поле Ms. Измеряется выходное напряжение холостого хода es. Тогда чувствительности в режиме излучения

Другим методом измерения 5 является градуировка излуча­ теля методом сравнения, которая аналогична градуировке ме­ тодом сравнения гидрофонов. Сначала образцовый излучатель создает звук, который измеряется неградуированным гидрофо­ ном. Затем на место образцового излучателя помещается гра­ дуируемый, и ток, возбуждающий его (или напряжение на нем), регулируется до тех пор, пока не будет достигнуто то же на­ пряжение на выходе гидрофона, какое было при образцовой из­

40 Гл. // . Методы и теория

соответствующие токи возбуждения, ех и es — соответствующие напряжения возбуждения.

Как и при градуировке гидрофонов методом сравнения, при сравнении излучателей может иметь место взаимная компенса­ ция ошибок, обусловленных отражениями. Однако излучатели чаще, чем гидрофоны, различаются по размерам, форме и диа­ граммам направленности. Поэтому указанное преимущество ме­ тода сравнения излучателей реализуется только в том исключи­ тельном случае, когда образцовый и градуируемый излучатели имеют одинаковую конструкцию.

Обе чувствительности в режиме излучения определяются зву­ ковым давлением на расстоянии 1 м от акустического центра излучателя. Это не означает, что измерения проводятся при рас­ стоянии между излучателем и гидрофоном, равном 1 м. Если излучатель велик, точка, лежащая на расстоянии 1 м, может находиться в ближнем поле, или в зоне Френеля, преобразо­ вателя. Она может даже оказаться внутри самого излучателя, как, например, в цилиндрическом излучателе, имеющем радиус 2 м. Поэтому реальные измерения проводятся на расстояниях больше 1 м, гарантирующих измерения в зоне, где применим закон обратных квадратов, т. е. где плотность энергии или квадрат давления в волне уменьшаются обратно пропорцио­ нально квадрату расстояния. При этом звуковое давление изме­ няется обратно пропорционально расстоянию. Давление, изме­ ренное на расстоянии d м, приводится к значению на расстоя­ нии 1 м умножением на d. Например, чувствительность в режиме излучения, измеренную на расстоянии 4 м, нужно ум­ ножить на 4 или, в децибелах, к ней нужно прибавить 201g4,

т. е, 12 дБ.

Большинство электроакустических излучателей взаимны, за исключением, быть может, резонансных частот, где они имеют большие Q. Следовательно, чувствительность по току в режиме излучения можно определить, градуируя преобразователь как гидрофон и вычисляя чувствительность в режиме излучения 5 из соотношения взаимности S = M/J, где М — чувствительность

2.3. МЕТОДЫ ВЗАИМНОСТИ

Принцип взаимности был введен в электроакустику Шоттки [3] в 1926 г. и Баллантайном [4] в 1929 г. Маклин [5] и Кук [6] первыми использовали его для целей градуировки в 1940 и 1941 гг. Гидроакустическая лаборатория отделения военных исследований Колумбийского университета (позже

ВМС) разработала метод градуировки гидролокационных стан­ ций [7].

Принцип взаимности используется в ряде модификаций гра­ дуировки этим методом. Если термин «градуировка методом взаимности» используется в гидроакустике в широком смысле, то имеется в виду наиболее распространенная модификация этого метода, которая в дальнейшем будет называться стан­ дартным методом взаимности. Более полным названием для этой модификации было бы «метод взаимности с тремя преобразова­ телями в сферической волне».

Все методы взаимности основываются на том, что один из

к чувствительности в режиме излучения 5 равно постоянной ве­ личине /, называемой параметром взаимности. Этот параметр зависит от свойств акустической среды, частоты и граничных условий, но не зависит от типа и деталей конструкции преобра­ зователя.

Чтобы преобразователь был взаимным, он должен быть ли­ нейным, пассивным и обратимым. Однако не все линейные, пас­ сивные и обратимые преобразователи являются взаимными [8]; примером служит преобразователь, содержащий и пьезоэлектри­ ческие, и магнитострикционные элементы [9]. Хотя большинство обычных преобразователей (т. е. пьезоэлектрические, пьезоке­ рамические, магнитострикционные, электродинамические и т. д.) при номинальных уровнях сигнала являются взаимными, для надежности градуировки необходимо иметь какое-либо под­ тверждение того, что ■обратимый взаимный преобразователь действительно взаимен. К сожалению, не имеется абсолютно достоверного способа определения этого свойства, но есть спо­ собы подтверждения того, что вероятность взаимности преобра­ зователя близка к единице.

Способ, который удобно использовать в обычной процедуре градуировки методом взаимности, называют просто проверкой взаимности. Рассмотрим два обратимых преобразователя Тх и Т2, помещенные в произвольных положениях в одну и ту же среду. Возбудим Т\ током ii и цзмерим выходное напряжение холостого хода е2 у Т2. Не меняя положений преобразователей и граничных условий, изменим направление распространения сигнала, т. е. возбудим Т2 током i2 и измерим выходное на­ пряжение е\ у Т\. Если система, состоящаяиз двух преобразо­ вателей, водной среды и ее границ, взаимна, то e2lii = e ji2. Из этого равенства не следует обязательно, что вся система и ее отдельные части взаимны, но это разумное практическое под­ тверждение взаимности системы, если и Т2— преобразователи разнородные. Если используются разнородные преобразователи,