книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

42 Гл. II. Методы и теория

то они, конечно, не могут оба быть невзаимными, но отношения e2/ii и ei/t'2 случайно оказываются равными; так было бы, на­ пример, если бы оба преобразователя были одинаково нелиней­ ными. Как мы увидим, эти контрольные измерения легко ском­ бинировать с обязательными измерениями при градуировке гидрофонов обычным методом взаимности.

В другом методе гидрофон градуируется методом взаим­ ности, а потом еще одним из нескольких независимых методов, описанных в этой главе. Если результаты градуировок полу­ чаются одинаковыми, то это свидетельствует о правильности предпосылок обоих методов. Среди них имеется и предположе­ ние о взаимности преобразователя. Однако не следует забывать, что согласие результатов измерений является свидетельством, но не доказательством! Оба метода могут быть ошибочными, но ошибки могут случайно скомпенсироваться.

Две из обсуждаемых ниже модификаций метода взаим­ ности — метод двух преобразователей и метод самовзаимности — являются частными" случаями стандартного метода взаимности. Остальные модификации требуют специальных граничных ус­ ловий. При этом определения М, S отличаются от их определе­ ний для условий свободного поля. Поскольку 5 зависит от среды и ее граничных условий сильнее, чем М, то отличается обычно именно 5. Можно показать, что параметр взаимности / в каж­ дом случае есть отношение объемной скорости, создаваемой взаимным преобразователем, к звуковому давлению, исполь­ зуемому в определении 5 [10]. Последним может быть, напри­ мер, давление в точке на оси преобразователя на расстоянии 1 м от него. Таким образом, параметр взаимности является пе­ редаточной акустической проводимостью системы.

2.3.1. Стандартный метод взаимности

При градуировке стандартным методом взаимности необхо­ димо иметь три преобразователя. Один из них является только излучателем Р, другой — взаимным преобразователем Т и слу­ жит как излучателем, так и звукоприемником, а третий служит только гидрофоном Н.

Любой из трех преобразователей может быть градуируемым. Однако формула обычно выводится для чувствительности гид­ рофона в свободном поле Мн . Измерения производятся в даль­ ней зоне свободного поля, так что на гидрофон падают только сферические волны, создаваемые излучателем.

Расположение преобразователей и производимые измерения схематически показаны на рис. 2.5. Только первые три из показан­ ных измерений (а, б и в ) необходимы для градуировки. Чувстви­ тельность Мд гидрофона по напряжению в свободном поле опре­

44 Гл. II. Методы и теория

Множитель 10~7 возникает в результате использования смешан­ ной системы единиц, так как размерность J есть В • А/(дин/см2)2. Напряжение и ток измеряются в вольтах и амперах системы МКС. Расстояние, плотность и давление измеряются в системе СГС. Отношение d j d 0 в (2.16) обычно отсутствует, так как про­ водится корректировка напряжения и оно приводится к значению

2d0/pf. Когда проводится корректировка напряжения, необхо­ димо помнить, что напряжение пропорционально звуковому дав­ лению, а не интенсивности. Следовательно, в сферически расхо­ дящейся волне напряжение пропорционально расстоянию, а не

дуировать Р и Т вторичными методами градуировки. Если излу­ чатель Р также является взаимным преобразователем и прове­

Добавление четвертого измерения к необходимым трем обес­ печивает и проверку взаимности и некоторую избыточность ин­ формации, которая увеличивает надежность измерений. Все из­ мерения в методе взаимности подвержены тем же ошибкам, ко­ торые описаны в разд. 2.2.1 и 2.2.2 при измерении в свободном поле. Однако квадратный корень в (2.18) немного снижает величину некоторых ошибок.

Из (2.17) можно видеть, что основой градуировки методом взаимности является отношение e/f, или электрический импе­ данс. Силу тока iT можно измерить по падению напряжения ет на известном импедансе — обычно на активном сопротивлении R. Тогда (2.17) дает

(2.19)

Поскольку четыре напряжения входят в формулу в виде без­ размерных отношений, их можно измерять некалиброванным вольтметром. Напряжения могут сильно отличаться по ампли­

туде, и поэтому вольтметр должен быть линейным, или для их сравнения нужно использовать калиброванный аттенюатор.

2.3.2. Метод взаимности с двумя преобразователями

Если два преобразователя имеют одинаковую чувствитель­ ность и используются в качестве гидрофона и взаимного пре­ образователя при градуировке стандартным методом взаим­ ности, то еРт и ерн на рис. 2.5 становятся одинаковыми и фор­ мула (2.17) упрощается:

(2.20)

Тогда оказывается, что для проведения градуировки нужно всего два преобразователя и одно измерение (рис. 2.5, в). В действительности это не совсем верно, так как для того, чтобы установить, имеют ли два преобразователя равные чувствитель­ ности, необходимо иметь третий преобразователь и провести еще два измерения. Например, два преобразователя можно срав­ нить, помещая их в одно и то же звуковое поле, создаваемое третьим, что эквивалентно измерениям (а) и (б) на рис. 2.5. Таким образом, метод двух преобразователей является частным случаем стандартного метода взаимности, в котором два из трех измерений, возможно, были сделаны ранее и в другом месте. Метод двух преобразователей обычно применяется для быстрой проверки или контроля прежних градуировок. Он не является истинно первичным методом градуировки.

2.3.3. Самовзаимность

Метод двух преобразователей становится истинно первич­ ным методом, если один и тот же преобразователь используется как гидрофон и как взаимный преобразователь. Это можно сделать, заставляя сигнал, излучаемый градуируемым преобра­ зователем, отражаться обратно к преобразователю, который пе­ реключается на прием собственного сигнала. Установка для самовзаимности схематически представлена на рис. 2.6. Мнимое изображение преобразователя можно считать вторым преобра­ зователем. Теоретически отражение должно быть идеальным, чтобы чувствительность в режиме излучения мнимого излучателя была идентична чувствительности реального преобразователя. В первоначальном методе самовзаимности Карстенсена [12] ис­ пользовалась связанная электронная система для возбуждения преобразователя током силой 7г в режиме излучения и измере­ ния напряжения холостого хода етн в режиме приема. Исполь­ зовались импульсные сигналы, етн и iT измерялись отдельно.

Для осуществления таких измерений необходимо возбуждать преобразователь, включая его в «неизвестное» плечо импедансного моста, и использовать импульсные звуковые сигналы. Со­ отношение между ZT, Zf и AZ показано на рис. 2.8. Фаза AZ, или еТнНт, переменна и произвольна, ибо она зависит от рас­ стояния, проходимого звуковым импульсом, а последнее равно двойному расстоянию от излучателя до отражателя, которое входит в J. Поэтому можно сделать так, чтобы AZ представляло

В импедансной разновидности этого метода отражателем должна служить гладкая плоская поверхность и расстояние от­ ражатель—преобразователь должно быть строго постоянным, так как фаза импеданса чувствительна к малым изменениям геометрии. В импульсной разновидности фаза не участвует и геометрия не играет такой важной роли. Кроме того, при исполь­ зовании импульсов можно произвести несколько измерений и осуществить усреднение. Паттерсон [14] в качестве отражателя в методе самовзаимности использовал поверхность океана, а преобразователь был подвешен на глубине 360 м. Волны на поверхности океана имели высоту 30 см. Длина волны , сигнала была 10 м (1,78 кГц). Было сделано 68 отдельных измерений. Хотя не проводилось'сравнения с другим независимым методом, оценки показывают, что для натурных условий измерений в океане методом самовзаимности можно получить точность градуировки ± 2 дБ.

Чувствительность в режиме приема равна М = еос1рР, где рр — среднее давление в плоской волне. Поскольку среднее давление неотличимо от однородного давления плоской волны, то чувст­ вительность в режиме приема М будет той же самой, что и чув­ ствительность по напряжению в свободном поле. Чувствитель­

ность в режиме излучения равна pp/i, и она опять-таки отли­ чается от чувствительности по току в свободном поле. Метод взаимности в плоской волне, как и метод взаимности в цилинд­ рической волне, является специализированным методом. В пер­ воначальной форме, разработанной Симмонсом и Юриком, его целесообразно применять для градуировки больших ультразву­ ковых преобразователей. В модифицированной форме он исполь­ зуется в трубе на звуковых частотах. Метод взаимности в трубе описан в следующем разделе. Метод взаимности в плоской волне, как и метод взаимности в цилиндрической волне, исполь­ зуется в методе ближнего поля Тротта и может быть объеди­ нен с методом самовзаимности, что дает

2.3.6. Метод взаимности в трубе

На рис. 2.11 буквами Р, Т и Я обозначены три преобразо­ вателя, необходимые при градуировке методом взаимности в трубе: Р — излучатель, Т — взаимный преобразователь и Я —■ гидрофон. Второй излучатель Р' используется как активный управляемый импеданс для создания бегущей волны в трубе. Для градуировки гидрофона проводятся три измерения, уже из­ вестные из рис. 2.5 и соотношения (2.17). Два из них, Р - + Т и Р ^ -Я , производятся с установкой, представленной на рис. 2.11, а. Звук исходит из Р, распространяется в виде плоских бе­ гущих волн, минуя Я, и попадает на Т. При надлежащем вы­ боре амплитуды и фазы сигнала в Р' по отношению к сигналу в Р волны, попадающие на Т, не отражаются; вся звуковая энергия поглощается преобразователем Т или часть ее прохо­

из Т. Плоские бегущие волны распространяются в обоих направ­ лениях и поглощаются Р и Р'. В этом случае Р и Р' действуют как волновые сопротивления акустических передающих линий.

и практических отличий между методом взаимности в плоской волне, предложенным Симмонсом и Юриком, и методом взаим­ ности в трубе, предложенным Битти. В трубе преобразователи не находятся в ближнем поле друг друга. Преобразователи должны быть очень маленькими, и размеры взаимного преобра­ зователя Т и гидрофона Я должны быть существенно меньше

я

Рис. 2.11. Две схемы измерений при градуировке методом взаимности в трубе. 1 — регулировка фазы и амплитуды; 2 — генератор,

поперечного сечения трубы. Вблизи преобразователя Т, рабо­ тающего в режиме излучения, существует область, в которой звуковая энергия расходится от него, прежде чем начнет рас­ пространяться в виде плоских бегущих волн. Практически это замечание справедливо и для излучателя Р. В трубе исполь­ зуется непрерывная звуковая волна, а не импульсы звука. Вы­ сокочастотный предел метода взаимности в трубе определяется диаметром трубы. Если диаметр становится больше ~ '/з длины волны, распределение звукового давления в плоскости попереч­ ного сечения перестает быть однородным.

4*