книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

52 Гл. II. Методы и теория

Чувствительность гидрофона в режиме приема Мц, измерен­ ная в трубе, совпадает е чувствительностью в свободном поле. Чувствительность в режиме приема Мт взаимного преобразова­ теля совпадает с его чувствительностью в свободном поле, если преобразователь не имеет резонансов в рабочем диапазоне ча­ стот. В противном случае необходимо вводить частотную по­ правку, или коррекцию, f = f'( 1 — А/). Величина А/ представляет разность между резонансными частотами в трубе и в свободном поле; /' — измеренная частота, f — исправленная частота.

Метод взаимности в трубе удобен для градуировки резонанс­ ных преобразователей в замкнутых камерах при высоких уров­ нях статического давления. В Лаборатории гидроакустических изхмерений ВМС имеется труба длиной 15 м и диаметром —38 см для гидростатических давлений до 58,6 • 105 Па (600 атм) и частот от 40 до 1500 Гц, а также труба длиной 2,4 м и диамет­

Термин «малая камера» используется в акустике примени­ тельно к малой полости, осуществляющей акустическую связь между излучателем (или громкоговорителем) и гидрофоном. Та­ кая камера обычно мала по сравнению с длиной звуковой волны в среде, заполняющей ее, а ее стенки имеют высокий акусти­ ческий импеданс. Поэтому давление практически одинаково во всем объеме камеры и равно звуковому давлению, создаваемому излучателем.

Малая камера подобна малым камерам для градуировки сравнением, о которых говорилось в разд. 2.2.3. Однако имеется важное отличие, которое заключается в том, что при первичной градуировке гидрофонов акустическая масса m (рис. 2.3 и 2.4) должна быть устранена, чтобы давление, воздействующее на гидрофон, было равно давлению, создаваемому возбудителем. С этой целью камеры делаются очень малых размеров, так что гидрофоны вводятся туда лишь частично; при этом диафрагмы преобразователей образуют часть стенок камеры.

На рис. 2.12 показана схема камеры, содержащей три пре­ образователя. Как и в других разновидностях метода взаим­

ская гибкость среды и ее границ, когда Т работает в режиме излучения. Электрическим аналогом этой акустической системы является схема, показанная на рис. 2.13. Предполагается, что

система камеры на рис. 2.13 управляется гибкостью или жесткостью, т. е. все резонансы расположены выше диапазона частот градуировки.

&PH■етм

I

н

\

р> Т

Lt

е РТ

Ж и д к о с т ь

Рис. 2.12. Схема системы малой камеры для метода взаимности. Р — излуча­ тель, Н — гидрофон, Т — взаимный преобразователь.

Метод взаимности в камере можно использовать только для градуировки небольших жестких гидрофонов на низких часто­ тах, где чувствительность по напряжению в свободном поле сов­ падает с чувствительностью по давлению. Метод весьма полезен

Рис. 2.13. Эквивалентная схема системы, показанной на рис. 2.12. Ср, Сю, Сн , CL и Су — акустические гибкости излучателя, стенок, гидрофона, жидкости

и взаимного преобразователя соответственно; рр и рт— давления на затор­ моженных преобразователях Р и Т.

для градуировки специальных гидрофонов при высоких стати­ ческих давлениях. Гидрофоны должны быть специальными в том смысле, что конструкции камеры и гидрофона должны быть совместимы друг с другом по размерам, форме и средствам вве­ дения электрического сигнала внутрь камеры.

Поскольку объем полости камеры и гибкость С малы, то возбудителю достаточно обеспечить небольшую объемную ско­ рость, чтобы создать измеримое звуковое давление; поэтому на низких частотах можно использовать небольшие пьезоэлектри­ ческие или пьезокерамические возбудители. На практике Р , Т п Н

часто бывают похожими друг на друга и имеют конструкцию небольших ненаправленных гидрофонов.

На рис. 2.14 показана камера, используемая в Лаборатории ВМС для первичной градуировки образцовых гидрофонов в ди­ апазоне частот 20—3000 Гц при гидростатических давлениях О—ПО -105 Па [19].

Стенки камеры и преобразователи в этой системе очень жесткие. Гибкость С объема жидкости, заполняющей камеру, вычисляется по формуле

где V — объем жидкости в см3, р — плотность ее в г/см3, с — скорость звука в жидкости в см/с, р — адиабатическая сжимае­ мость в долях изменения объема на 1 дин/см2. Камеру можно заполнять не только водой. В данной системе исполь­ зуется касторовое или силиконовое масло, так как в этом слу­ чае чувствительные элементы пьезоэлектрического или пьезоке­

рамического излучателя и взаимного преобразователя можно приводить в прямой контакт с заполняющей жидкостью.

В Канадском отделе военно-морских исследований в качестве камеры используется стальной цилиндр диаметром 12,7 см и длиной 50,8 см, рассчитанный на работу при статических давле­ ниях до 1034,1 • 105 Па [20]. Камера такого размера допускает некоторую свободу выбора используемых и градуируемых гид­ рофонов, но за счет уменьшения диапазона частот. Высокоча­ стотный предел этой системы находится вблизи 400 Гц. Гибкость С этой камеры измеряется, а не вычисляется. Для этого в ка­ меру вдавливается точно измеренный объем воды А К, в резуль­ тате чего гидростатическое давление в ней повышается на Ар. Тогда С= AVIАр. Изменение давления Ар измеряется специаль­ ными весами; измерение проводится в статическом режиме и яв­ ляется изотермическим, а не адиабатическим или динамическим, которое требуется. Но это вносит малую ошибку.

В разновидности этого метода, разработанной в СССР [21], для измерения гибкости к камере присоединяют узкую трубку и определяют резонансы Гельмгольца в системе малой камеры, соответствующие двум различным уровням (массам) воды в трубке. Трудность градуировки гидрофонов методом взаим­ ности в малой камере заключается в необходимости полного удаления воздушных пузырьков. Поскольку акустический им­ педанс параллельной комбинации среда—стенки камеры—пре­ образователи должен быть очень большим, наличие даже маленького пузырька приводит к увеличению гибкости, уменьше­ нию давления и увеличению градиента давления. На электриче­ ской эквивалентной схеме (рис. 2.13) можно видеть, что пузы­ рек закоротит схему. Иногда проблема пузырьков становится столь серьезной, что измерения при атмосферном давлении ока­ зываются невозможными. Чтобы пузырьки исчезли за счет растворения воздуха в воде, бывает необходимо небольшое гид­ ростатическое давление — порядка 3,5 • 105 Па.

Электрические импедансы преобразователей обычно очень велики, что затрудняет борьбу с электрической наводкой— пе­ редачей электромагнитных сигналов от одного преобразователя к другому помимо акустического пути. Для уменьшения наводки используются сетчатые экраны из проволоки, показанные на рис. 2.14.

Высокочастотный предел градуировки определяется либо раз­ мером камеры, либо резонансом какой-либо части системы. Низ­ кочастотный предел, равный 20 Гц для обеих рассмотренных систем, обычно определяется трудностью электрического воз­ буждения небольших высокоимпедансных пьезоэлектрических элементов на инфразвуковых частотах.

Теория метода взаимности в камере проста. Он является

надежным и удобным методом градуировки гидрофонов на низ­ ких звуковых частотах и при больших гидростатических давле­ ниях. Однако не всякий гидрофон можно градуировать в си­ стеме с малой камерой. По этой причине данный метод исполь­ зуют только для первичной градуировки одного или нескольких типов образцовых гидрофонов.

2.3.8. Метод взаимности в диффузном поле

Метод взаимности в диффузном поле впервые был исполь­ зован в воздушной акустике Дистелем [22]. Он демонстрирует универсальность метода взаимности, и поэтому описание гра­ дуировок методом взаимности было бы неполным без упомина­ ния о его разновидности в диффузном поле. Диффузный звук — это звук с совершенно случайным направлением. Чувствитель­ ность гидрофона в диффузном поле определяется как отношение среднеквадратичного значения выходного напряжения холостого хода к среднеквадратичному значению давления в диффузном звуковом поле в отсутствие гидрофона. Чувствительность в диф­ фузном поле полезна, например, при измерении окружающих шумов. Чувствительности ненаправленного гидрофона в диф­ фузном и свободном полях одинаковы. Если гидрофон обладает направленностью, то они различны и связаны друг с другом через коэффициент концентрации R b:

где индексы df и f относятся соответственно к диффузному и свободному полям. Величину Mat можно вычислить, если из­ вестны и М/. Однако коэффициент концентрации трудно измерить точно, за исключением тех простых случаев, когда трехмерная диаграмма направленности имеет ось симметрии.

с хорошими диффузными характеристиками, т. е. с многими сим­ метричными отражающими поверхностями, так что установив­ шийся уровень звукового давления одинаков везде, за исключе­ нием области вблизи излучателя. Поместим в камеру обычный излучатель Р, взаимный преобразователь Т и гидрофон Н. Пусть излучатель работает в некотором фиксированном режиме. Зву­ ковое давление в камере будет возрастать до тех пор, пока звуковая мощность, рассеиваемая в стенках камеры, станет равна мощности, создаваемой в камере излучателем. В этом установившемся режиме звуковое поле в каждой точке камеры

источников, находящихся вне камеры. Давление в прямом зву­ ковом поле равно давлению в свободном поле, т. е. давлению, которое существовало бы в данной точке, если бы все отра­ жающие поверхности были удалены, а мощность излучения осталась неизменной. Давление прямого звука распространяется в виде сферических волн, и поэтому его амплитуда зависит от координат точки в камере. Давление диффузного звукового поля представляет собой фазовую сумму множества случайно распо­ ложенных кажущихся излучателей и, следовательно, не зависит от координат.

Три преобразователя можно разместить так, чтобы преобра­ зователи Г и Я принимали только диффузное звуковое поле Pdf, создаваемое излучающим преобразователем (Р или Т), т. е. выполнить требование Pdf^>Pt- Влияние давления прямого поля pf можно уменьшить, увеличивая размеры камеры, что позволяет, кроме того, увеличить расстояние между преобразова­ телями. Давление pdf можно увеличить, выбирая камеру с малым коэффициентом поглощения стенок или с большим временем реверберации.

разновидностях метода взаимности, изменяется лишь параметр взаимности. Параметр взаимности для диффузного поля Jdf выведен Дистелем [22]:

(2.30)

где р — плотность воды, f — частота, V — объем камеры, с — скорость звука, t — время реверберации, т. е. время в секундах, за которое уровень звукового давления снижается на 60 дБ после выключения излучателя звука.

На некотором расстоянии h от излучателя давление диффуз­ ного поля и давление свободного поля становятся одинаковыми.

если взаимный преобразователь ненаправленный. Тогда Д/ ста­ новится подобным параметру взаимности для сферической волны / = (2d/pf) • 10-7, чего и следовало ожидать, так как давление диффузного поля равно давлению свободного поля, или дав­ лению прямого звука, на расстоянии h см от излучателя.

Основная трудность градуировок этого типа состоит в полу­ чении хорошего диффузного поля. Не следует располагать пре­ образователи вблизи стенок. Для получения более равномерного

диффузного поля обычно используют полосы белого шума или воющий тон. В воздушной акустике требуются большие помеще­ ния. Дистель использовал камеру с размерами 4,6X6X7,б м. Бассейн или другой реверберационный объем воды, который можно было бы использовать для градуировки гидрофонов в диффузном поле, должен был бы иметь весьма большие размеры.

2.3.9. Обобщенный и локальный параметры взаимности

Можно показать, что градуировку методом взаимности тео­ ретически можно проводить при любых граничных условиях в среде [10]. Необходимо только, чтобы система удовлетворяла теореме акустической взаимности. Это значит, что она должна быть линейной, пассивной и обратимой. Как можно заметить по виду различных параметров взаимности, J зависит от харак­ теристик среды, границ среды и от некоторых размеров. Эти ха­ рактерные размеры, по-видимому, должны быть связаны с раз­ мерами преобразователя; так оно обычно и оказывается на деле. Однако теория этого не требует. Например, в методе взаим­ ности в трубе площадь А не связана с размерами преобразо­ вателя; это площадь, на которой измеряется давление, излучае­ мое и принимаемое взаимным преобразователем. В общем слу­ чае параметр взаимности зависит от способа определения М и S. Представим себепреобразователь Т произвольной формы в среде с произвольными граничными условиями, как показано на рис. 2.15. Определим чувствительность в режиме излучения S как среднее давление, создаваемое на площадке A s при еди­ ничном входном токе, т. е.

Определим чувствительность в режиме приема М как отноше­ ние выходного напряжения холостого хода к единичному дав­ лению, усредненному по площадке Ат. Получим

в р (Ат) — результирующее среднее давление на площадке Ат. В случае сферической волны As и Ат— бесконечно малые сферы или, для практических целей, точки. В случае цилиндрической

нечно малыми диаметрами); для случаев плоской волны и трубы A s и Ат— площадки (в действительности две плоскопа­

передаточную проводимость (адмитанс) между двумя пло­ щадками A s и Ат, которые выбраны при определении М и S для взаимного преобразователя. Поскольку среда взаимна, пе­ редаточный импеданс одинаков в обоих направлениях. Поэтому J можно определить и как U (Am)/p(As).

Рис. 2.15. Преобразователь Т произвольной формы в среде с произвольной границей. As — площадка, на которой измеряется излучаемое давление; А т— площадка, на которой измеряется принимаемое давление; е — напряжение;.

г —• ток.

Иногда / невозможно вычислить из-за того, что граничные условия неизвестны или слишком сложны. Тогда можно исполь­ зовать формулу ( 2.17) и решать обратную задачу, т. е. исполь­ зовать гидрофон с известной чувствительностью М, а / считать неизвестным. Предположим, например, что необходимо контро­ лировать чувствительность преобразователя в удаленном поло­ жении или на дне океана. Обычная тройка преобразователей, применяемая в методе взаимности, крепится на какой-либо базе и опускается на дно океана. Проводятся измерения, показанные на рис. 2.5, но с использованием длинных кабелей. Чувствитель­ ность гидрофона в режиме приема М уже известна. Следова­ тельно, (2.17) можно использовать для вычисления J. Эю локаль­ ное значение J справедливо, пока остаются неизменными гранич­ ные условия. При стабильных условиях в среде граничные

В качестве нулевого излучателя наиболее удобен электро­ динамический преобразователь. Для такого преобразователя

Выражение BL/A есть постоянная, не зависящая от частоты и стабильная во времени. Ее можно измерить в статическом режиме, уравновешивая малое измеримое изменение гидроста-

Рис. 2.17. Эквивалентная схема установки, показанной на рис. 2.16.

Изменение давления легко осуществить. Если уровень воды над нулевым излучателем изменяется на /гем, то Apdc = pgh, где g — ускорение силы тяжести в см/с2, р —■плотность воды в г/см3.

Если гидрофон помещен вблизи диафрагмы нулевого пре­ образователя, то чувствительность гидрофона М определяется по формуле

Хотя этот метод наиболее эффективен на низких частотах и в малых камерах, его можно использовать и при других гра­ ничных условиях, включая свободное поле. Необходимо только помещать гидрофон достаточно близко к диафрагме нулевого излучателя, чтобы на оба преобразователя действовало одно и то же звуковое давление. Метод применим только к нерезони­ рующим гидрофонам, так как в противном случае сопротивление