книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

62 Гл. II. Методы и теория

излучения нулевого излучателя будет отличаться от сопро­ тивления излучения в свободном поле. На частотах вне области резонанса этой разницей можно пренебречь. На практике гидро­ фон должен быть жестким и по той причине, что мягкая гра­ ница приведет к появлению градиентов давления, и тогда дав­ ление на диафрагме нулевого излучателя может отличаться от давления, действующего на гидрофон.

В качестве индикатора смещения диафрагмы можно исполь­ зовать различные системы. Обычно металлическая диафрагма является частью какой-либо электрической системы, в которой смещение создает индицируемые изменения. Например, диаф­ рагма может служить одной из пластин конденсатора или частью магнитной цепи. Индикатор не обязательно должен быть отградуирован. Резонанс диафрагмы нулевого излучателя дол­ жен находиться ниже рабочего диапазона частот системы или на его нижнем крае, и, следовательно, диафрагма будет управ­ ляться массой. При этом смещение будет обратно пропорцио­ нально квадрату частоты, скорость будет обратно пропорцио­ нальна частоте, а ускорение не будет зависеть от частоты. Поэтому индикатор ускорения был бы предпочтительнее инди­ катора смещения, однако статическое измерение коэффициента BL/A можно осуществить только с устройством, контролирую­ щим смещение. По этой причине в установке, разработанной в 1955 г. в Лаборатории гидроакустических измерений ВМС, ис­ пользуется индикатор смещения, выпускаемый серийно фирмой «Бентлик сайнтифик». Максимальная частота этой системы, равная 1000 Гц, определяется чувствительностью индикатора смещения. Можно использовать комбинированную систему инди­ катора, состоящую из индикатора смещения для статических

длины волны, ограничивают использование метода на частотах

мерения по определению акустического импеданса и отсутст­ вуют ограничения размера камеры. Основной недостаток его связан с практической реализацией нулевого метода, а не с тео­ рией. Если гидростатическое давление изменяется в процессе градуировки, то относительно хрупкую диафрагму нужно ком­ пенсировать по отношению к статическому давлению; это зна­ чит, что давление воздуха внутри нулевого преобразователя

рудованием для заполнения и смены воды в камере и вакуум­ ное оборудование (для устранения воздушных пузырьков) со­ ставляют довольно громоздкую систему труб.

2.5. ИМПЕДАНСНЫЕ МЕТОДЫ

Импедансные методы — это класс абсолютных методов градуировки, в которых акустическое давление определяется по

частотах. Объем среды мал, а значит, максимальный размер гидрофона должен составлять

малую долю длины волны в среде. Чувствительность гидрофона М = еос1р определяется из прямого измерения еос и косвенного измерения р.

Имеются два общих случая импедансных методов, соответ­ ствующие двум типам акустической реактивности. В первом слу­ чае свойства среды определяются гибкостью (1//соС) или жест­ костью (s/jсо). В акустике используются оба термина: гибкость и жесткость. Термин «жесткость» заимствован из машинострое­ ния. Термин «гибкость» более удобен в акустике и будет ис­ пользоваться в этой книге, так как гибкость прямо пропорцио­ нальна емкости в эквивалентной схеме, в то время как жест­ кость связана с этой емкостью обратной пропорциональностью. В системах, управляемых гибкостью, предполагается, что среда действует как невесомая пружина, а звуковое давление созда­ ется сжатиями и растяжениями этой пружины. Во втором слу­ чае свойства среды определяются массой (jam). Предполага­ ется, что сама среда ведет себя как неупругая масса, а звуко­ вое давление является результатом инерционности этой массы. Оба метода являются низкочастотными приближениями, но их можно распространить на более высокие частоты, если систему

удается описать волновыми уравнениями. Замкнутые камеры используются в качестве систем, управляемых гибкостью, а от­ крытые камеры — в качестве систем, управляемых массой. Ка­ меры, управляемые гибкостью, называются пистонфонами по предложению Вейте, разработавшему эту методику в 1917 г. [24].

2.5.1. Пистонфонные методы

Метод пистонфона является одним из старейших методов абсолютной градуировки. Первоначально он использовался только для градуировки микрофонов. В нескольких вариантах

Рис. 2.19. Градуировка методом пистонфона.

он был использован для градуировки гидрофонов. Установка состоит из небольшой заполненной газом камеры и поршневого излучателя звука (рис. 2.19). В первоначальной конструкции [24, 25] колебания поршня возбуждались электромотором, а в более поздних вариантах [26—28] — электродинамическим преобразователем. Амплитуда смещения поршня измеряется оптической системой. Основные требования к системе возбуж­ дения — создание колебаний с большим смещением и наличие удобных средств измерения амплитуды колебаний поршня. Объ­ емное смещение X находится по известным линейному смеще­ нию и площади поршня. Тогда

в воде распределение такое же, как в воздухе. Эквивалентная схема водно-воздушного пистонфона показана на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Эквивалентная схема водно-воздушного пистонфона. Пунктирными линиями показаны импедансы воды, гидрофона и стенок камеры, которые достаточно высоки, чтобы ими можно было пренебречь при параллельном включении.

давления. Эквивалентная схема для этого случая показана на рис. 2.22. Гибкость среды Ст, состоящую из параллельной ком­ бинации гибкостей стенок, воды и гидрофона, можно измерить

Рис. 2.22. Эквивалентная схема водного пистонфона.

статическим способом (см., например, [20, 21]). Импеданс излу­ чателя Zs должен быть известен, и его давление в заторможен­ ном режиме рь должно быть измеримым. Всем этим требова­ ниям удовлетворяет электродинамический преобразователь. Давление на заторможенной диафрагме равно

сой диафрагмы и гибкостью ее упругой подвески. Эти величины

измеряются один раз и в дальнейшем считаются постоянными. Из рис. 2.22 имеем

где k — волновое число 2я/Я = со/с. Если колебательная скорость

дна равна х, a ZL — нагрузка, или удельный акустический им­ педанс излучения на дне, то

Согласно теории передающих линий, ZL==jpctgkb, где р — плотность воды, а с — скорость звука в воде. Если стенки трубы абсолютно жесткие, то скорость звука в ней совпадает со ско­ ростью звука в свободном поле. На самом деле стенки имеют конечный импеданс, и с в трубе меньше, чем в свободном поле. Тогда

трубы в отсутствие потерь. При обычном низкочастотном при­ ближении (Ы<С 1 и&1<^1) формула (2.49) упрощается:

(2.50)

Соотношение (2.50), представляющее собой частный случай вто­ рого закона Ньютона, показывает, что давление зависит от массы воды, лежащей выше глубины d. Тогда чувствительность в режиме приема М небольшого гидрофона-, помещенного на глубине d, равна

Шлосс и Страсберг приводят критерий для поперечного се­ чения: радиус г сферического гидрофона ограничивается усло­ вием x<^r^.d. Это значит, что радиус гидрофона должен быть много больше, чем амплитуда колебаний х, и много меньше глу­ бины. Небольшой линейный гидрофон, помещенный вдоль оси трубы, можно отградуировать при условии, что давление pd ли­ нейно изменяется по длине гидрофона и d измеряется от его середины. Влияния большего звукового давления на глубинах ниже d и меньшего на глубинах выше d усредняются, что дает среднее давление в точке на глубине d.

В обеих разновидностях этого метода гидрофон закрепляется неподвижно. Поэтому он подвержен воздействию переменного

Это давление очень мало по сравнению с инерционным давлением, за исключением области очень низких частот (ме­ нее 10 Гц).

Шлосс и Страсберг непосредственно измеряли колебательное

ускорение х с помощью градуированного акселерометра. В ка­ либраторе Симса измеряется ток через электродинамический преобразователь, для которого силовой фактор BL и механиче­ ский импеданс Z известны. Тогда давление в режиме торможе-

Рис. 2.25. Эквивалентные схемы инерционной градуировки в калибраторе Симса, а —-для любой длины L; б — для L «>,, на частотах выше резонанса электродинамического возбудителя.

ния диафрагмы, которая является дном трубы, дается выраже­ нием

описать эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.25, а. На частотах, лежащих выше резонанса преобразователя и ниже резонанса трубы, можно пользоваться приближением, показан­ ным на рис. 2.25, б. Здесь р&— давление, измеренное только на части нагрузочной массы воды, заключенной между глубиной d и свободной поверхностью (ef=0). Все параметры на рис. 2.25,

где mw и ms—-массы столба воды и диафрагмы электродинами­ ческого излучателя соответственно.

Если площадь диафрагмы A s и поперечное сечение трубы А неодинаковы, то вблизи диафрагмы будет иметься короткая об­

ласть, где волны сильно расходятся. Гидрофон не следует по­ мещать в эту область.

Два варианта инерционного метода отличаются только прак­ тическим исполнением, и выбор того или другого зависит от их стоимости и удобства применения. Поскольку в продаже име­ ются вибростенды и градуированные акселерометры, то легко собрать установку^ Шлосса и Страсберга. Калибратор Симса представляет собой специально сконструированную установку, и его градуировка требует определенных знаний о конструкции преобразователя; но изготовленный калибратор Симса компак­ тен, портативен и прост в обращении. Калибратор Симса легко отградуировать, если имеется образцовый гидрофон. Любую из установок можно использовать для калибровки сравнением; в этом случае эти два метода становятся почти идентичными. Калибратор Симса широко использовался как простое и быст­ рое средство для массовой градуировки малых гидрофонов ме­ тодом сравнения. Шлосс и Страсберг сообщили о результатах

градуировки в диапазоне частот 10—700 Гц, а Симс — в диапа­ зоне 100—3000 Гц.

2.6. СТАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Статическими называются методы, в которых динамические градуировки основаны на измерениях в статическом режиме и при статических импедансах. Методы ограничены диапазоном очень низких звуковых и инфразвуковых частот, на которых

звуковое давление можно рассматривать как переменное гидро­ статическое давление.

2.6.1. Конденсаторный гидрофон

Система для градуировки конденсаторного гидрофона пока­ зана на рис. 2.26. Гидрофон состоит из конденсатора, у которого одна пластина имеет упругую подвеску, а другая неподвижна. На подвешенную в воде пластину или диафрагму воздействуют как гидростатическое давление, так и звуковое. В результате этого изменяется расстояние между пластинами, а значит, и емкость. Конденсатор включен в одно из плеч импедансного моста. Мост питается напряжением несущей частоты с постоян­ ной амплитудой. Выходное напряжение е0 зависит от емкости гидрофона Сд, что видно из рис. 2.27. Если Сн изменяется под влиянием звукового давления, а мост был слегка разбалансиро­ ван при отсутствии звукового давления, то е$ будет модулиро­ ваться с частотой звукового давления и напряжение е00 после

гектирования будет приблизительно пропорционально звуко­ вому давлению.