книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

При градуировке системы в\ поддерживается постоянным, изменяется статическое давление и отмечаются значения напря­ жения е0. Отношение е0/е00 можно определить при электриче­ ской градуировке детектора. Мост должен быть разбалансиро­ ван во избежание удвоения частоты. Из рис. 2.27 видно, что

Рис. 2.27. Зависимость выходного напряжения моста от емкости гидрофона.

как уменьшение, так и увеличение Сн , обусловленные звуковым давлением, от точки, в которой мост сбалансирован, т. е. е0 = 0, приведут к увеличению во. Таким образом, положительный и от­ рицательный полупериоды давления создадут полный период во. Рабочую точку на кривой на рис. 2.27 можно сдвинуть от нуля, или от точки баланса моста, регулировкой величины лю­

бого из четырех импедансов его плеч. Обычно удобнее всего ре­ гулировать Cs.

Чувствительность этой системы зависит от отношения Ае0/АСн. Из рис. 2.27 можно видеть, что абсолютная величина

и линейность этой чувствительности зависят от формы кривой, которая в свою очередь зависит от конструкции моста. Другим фактором, влияющим на чувствительность и линейность си­ стемы, является расстояние d между пластинами конденсатора. Емкость Сн обратно пропорциональна d, и чувствительность системы зависит также от отношения ДСн/Ad, т. е. от формы кривой на рис. 2.28. Чувствительность максимальна при близ­ ком расположении пластин, т. е. при малых d. Однако нелиней­ ность, или изменение наклона, также наиболее велика при ма­ лых d, и поэтому нужно иметь

какую-то оптимальную конст­ рукцию. Третьим фактором, влияющим на чувствительность, является механическая гиб­ кость диафрагмы, или измене­ ние d при единичном звуковом давлении.

В связи с тем что система реагирует и на статическое, и на динамическое давления, ее чувствительность зависит от глубины погружения в воду. Для устранения влияния ста­ тического давления необхо­ димо иметь систему ком­ пенсации, которая создает ста­ тическое давление воздуха на внутреннюю сторону подвешен­

ной пластины или диафрагмы, равное наружному гидростатическому давлению. В компенсационную систему должен входить акустический фильтр низких частот, чтобы происходила компен­ сация статических, а не динамических давлений. Необходимо предусмотреть возможность отключения компенсации на время градуировки системы. Статическая градуировка пригодна только на тех частотах, на которых диафрагма управляется жесткостью или гибкостью, а динамическими или инерционными эффектами можно пренебречь. Поэтому высокочастотный пре­ дел установки лежит примерно на октаву ниже резонансной частоты диафрагмы.

Главным преимуществом конденсаторного гидрофона явля­ ется его очень высокая чувствительность. В отличие от обычных гидрофонов, чувствительность которых в основном определяется характеристиками пьезоэлектрического, магнитострикционного или магнитного материала, чувствительность конденсаторного гидрофона зависит главным образом от механической конструк­ ции диафрагмы и электрической схемы моста. Чем мягче

подвеска диафрагмы и чем лучше индицируется баланс моста (см. рис. 2.27), тем чувствительнее гидрофон. Один из первоначаль­ ных вариантов [32] гидрофона этого типа имел общую чувстви­ тельность системы —45 дБ относительно 1В/(дин/см2) . Это при­ мерно на 40 дБ выше, чем типичная чувствительность хорошего пьезоэлектрического гидрофона с катодным повторителем, и примерно на 20 дБ лучше чувствительности шумоизмерительного гидрофона, имеющего предусилитель с усилением 20 дБ.

К недостаткам системы относятся сложность, присущая ей нелинейность и ограниченный частотный диапазон измерений. Высокочастотный предел упомянутого варианта составлял всего

75Гц.

Вдругих разновидностях этого метода мост заменялся элек­

тронной схемой, в которой амплитуда или частота несущей чувствительны к малым изменениям емкости.

2.6.2. Электронный гидрофон

Некоторые предприятия выпускают электронные вакуумные лампы, у которых один из электродов (обычно анод) механиче­ ски связан с наружным штырьком (например, RCA 5734) [33].

р

Рис. 2.29. Схема электронного гидрофона.

Через этот штырек электрод соединен с диафрагмой, восприни­ мающей звуковое давление р. При его вибрации осциллирует и крутизна вольт-амперной характеристики лампы. (Такой гидро­ фон схематически показан на рис. 2.29.) Выходное напряжение е пропорционально смещению х механического звена, связываю­ щего диафрагму с электродом. На частотах, лежащих ниже пер­

вого резонанса механической системы, смещение будет пропор­ ционально звуковому давлению р. Общий для системы коэффи­ циент преобразования, выражаемый отношением е/р, можно измерить в статическом режиме.

Подобно конденсаторному гидрофону, электронный гидрофон можно сделать весьма чувствительным, но он имеет очень огра­ ниченный частотный диапазон [34]. Кроме того, у него высок уровень собственных шумов.

2.6.3. Методы переменной глубины

Если глубина погружения гидрофона периодически изменя­ ется по гармоническому закону, то переменное гидростатическое давление неотличимо от звукового давления очень низкой час­ тоты. Если х — амплитуда вертикальных колебаний, то перемен­ ное давление определяется формулой

где р — плотность воды, g — ускорение силы тяжести. Если вы­ ходное напряжение гидрофона при этом равно еос, то его чув­ ствительность М равна

Амплитуды еос и х можно выражать в любой стандартной форме: как среднеквадратичные, пиковые или полный размах, но нужно использовать одну и ту же форму и для еос, и для х.

Глубину можно менять, смещая гидрофон или изменяя уро­ вень воды. Использовались оба способа. В варианте с движе­ нием гидрофона вибростенд состоит из электродвигателя пере­ менной скорости и «шотландского ярма» или другого механиче­ ского звена для преобразования вращательного движения в колебательное смещение. На рис. 2.30 показано «шотландское ярмо», использованное в Лаборатории ВМС [35]. Штифт, кото­ рый имеется на вращающемся диске, скользит в прорези ярма. Ярмо и поддерживающий стержень могут двигаться только в вертикальном направлении. Поэтому при вращении диска ярмо и стержень движутся вверх и вниз синусоидально. Пико­

в конструкции гидрофона, 4) турбулентность. Гидродинамиче­ ские эффекты зависят от формы гидрофона, и трудно установить общую зависимость между его формой и величиной эффекта. Для простых цилиндрических форм гидродинамические давления

к минимуму выбором подходящей ориентации гидрофона. Например, диафрагма или активная поверхность гидрофона должны располагаться в вертикальной плоскости, так чтобы слой, соседний с диафрагмой, не возмущался движением гидро­ фона. Инерционные эффекты в конструкции гидрофона также

Рис. 2.30. Установка для градуировки гидрофонов путем их вертикальных колебаний в воде. 1 — вращаемый мотором диск, 2 — штифт на диске, 3 — ярмо, 4 — прорезь.

можно уменьшить выбором его ориентации. Однако оптимальная ориентация для этих двух эффектов может быть различной. В маслозаполненных гидрофонах инерционные эффекты всегда будут присутствовать и их нельзя устранить. Турбулентность является наиболее непредсказуемым из внешних источников динамического давления. Все элементы креплений в воде дол­ жны иметь по возможности обтекаемую форму. Если исполь­ зуются малые камеры, то движение гидрофона может возбудить паразитный низкочастотный резонанс. Такой резонанс в ци­ линдре емкостью 208 л, используемом в Лаборатории ВМС, на­ блюдался на частоте 1,8 Гц, но не оказывал существенного влияния на градуировку.

Все эти источники ошибок сильно ограничивают верхнюю предельную рабочую частоту. Нижнего предела по частоте нет. Установка Лаборатории ВМС обеспечивала точную градуировку в диапазоне 0,3—4 Гц. В пределах частотного диапазона, где посторонними источниками давления можно пренебречь, эта уста­ новка является простой и надежной.

а смещается уровень воды, имеет две разновидности. Может двигаться вся камера или по крайней мере весь столб воды, как было сделано в инерционном методе, описанном в разд. 2.5.2, или же только малая часть системы может быть подвижной, как

вустановке Голенкова [36], показанной на рис. 2.31.

Динамическое давление, обусловленное изменением глубины и органически присущее инерционным методам, велико по срав­ нению с инерционными давлениями, если частоты достаточно

Рис. 2.31. Принцип действия установки Голенкова.

низки. Из уравнений (2.50) и (2.53) можно показать, что эти давления становятся равными при со2 = g/d. Для глубины 10 см эта частота равна 1,6 Гц.

В установке Голенкова колеблется только маленький верх­ ний сосуд. Он смещается по вертикали с помощью вибростенда, подобного стенду, использованному в описанной выше системе. Переменный уровень воды воздействует на неподвижный гидро­ фон, установленный в нижней камере. Соединительная трубка, разумеется, должна быть гибкой. В этом способе устранены тур­ булентность и в некоторой степени инерционное давление. Он по­ зволяет получить большие амплитуды колебаний. Однако две камеры и соединительная трубка имеют резонансы, подобные тем, что имеются в резонаторе Гельмгольца, и верхний

частотный предел этого метода меньше, чем для системы с ко­ леблющимся гидрофоном. Голенков сообщает о верхнем пределе порядка 1 Гц [36].

2.7. МЕТОД ИМПУЛЬСА (СКАЧКА ДАВЛЕНИЯ)

Метод импульса используется для быстрой калибровки не­ больших пьезоэлектрических гидрофонов в частотном диапазоне до первого резонанса. Метод заключается в том, что на гидро­ фон воздействуют импульсом в виде скачка статического давле­ ния Ар и измеряют начальное напряжение е0 или электрический заряд Q, возникающий в пьезоэлектрическом кристалле или керамическом элементе. Тогда чувствительность в режиме при­ ема М находится по формуле

Д р Д р

где С — электрическая емкость гидрофона.

После скачка давления заряд быстро стекает через сопротив­ ление утечки R между электродами кристалла, и напряжение уменьшается относительно своей первоначальной величины. Следовательно, напряжение е0 нужно измерять быстро. Можно измерять заряд Q при разряде через баллистический гальвано­ метр. Эти измерения должны проводиться за малый промежуток времени по сравнению с постоянной RC системы. При измере­ нии напряжения следует иметь в виду, что R и С включают в себя входное сопротивление и емкость вольтметра, а также емкость и сопротивление кристалла. Нужно использовать изме­ рительный прибор с очень высоким входным импедансом, на­ пример электрометр. Типичные кривые зависимости напряжения от времени для измерений с электрометром и баллистическим гальванометром приведены на рис. 2.32. Баллистический галь­ ванометр регистрирует суммарный заряд за все время разряда,

ряться за время t^.RC, Q измеряется в течение большего времени, чем е0, и поэтому менее подвержено ошибкам, обус­ ловленным временем измерения.

Импульс давления Ар должен создаваться быстро. Это тре­ бование легче достигается быстрым спадом статического давле­ ния, чем его увеличением. На рис. 2.33 показано простое уст­ ройство для создания импульсного давления. Гидрофон подвер­

приводит к быстрому спаду давления. Следовательно, Ар пред­ ставляет собой отрицательное изменение давления. Другая ме­ тодика, используемая фирмой «Атлантик рисерч», которая про­ изводит серийные гидрофоны, иллюстрируется пунктирной

Рис. 2.32. Выходное напряжение гидрофона при скачке давления, измеренное электрометром (верхняя кривая) и баллистическим гальванометром (нижняя кривая).

частью рис. 2.33. Здесь быстро открывающийся клапан умень­ шает давление примерно за 0,01 с. Более быстрым из этих двух методов является удаление груза. При измерении е0 важно,

Рис. 2.33. Установка для градуировки гидрофонов методом скачка давления. Последний получается удалением груза m с поршня или открыванием клапана.

чтобы не произошло утечки зарядов с электродов кристалла до того, как Ар достигнет максимального значения. Следует огра­ ничивать использование инерционных импедансов (таких, как отверстие клапана), которые замедляют снижение давления.

Результаты градуировки, полученные с помощью формулы (2.55), верны в диапазоне частот, в котором 1) гидрофон элект­ рически эквивалентен идеальному конденсатору, 2) гидрофон механически эквивалентен идеальной пружине и 3) размеры

определяет низкочастотный предел, при котором условие Rl$> ^>1/(оС уже перестает удовлетворяться и чувствительность па­ дает, как показано на рис. 2.34. Требования (2) и (3) опреде­ ляют высокочастотный предел, при котором гидрофон или рабо­ тает вблизи резонанса, или не может считаться малым по срав­ нению с длиной звуковой волны.

f

Рис. 2.34. Типичная частотная характеристика чувствительности небольшого пьезоэлектрического гидрофона. Частота нанесена в логарифмическом мас­ штабе. I — спад, обусловленный сопротивлением утечки; 2 — частотный диапа­ зон градуировки импульсом, 3 — механический резонанс.

Этот метод градуировки является квазистатическим в том смысле, что при полном отсутствии у кристалла сопротивления утечки измерение можно проводить при статических условиях; формула (2.55) является, в сущности, статическим соотноше­ нием. Трудности измерения возникают из-за необходимости осуществить статическое измерение до того) как проявятся эф­ фекты, обусловленные сопротивлением утечки R.

Поскольку звуковые давления обычно очень малы (порядка 1000 дин/см2), груз массы m на рис. 2.33 также должен быть мал, иначе нелинейные эффекты могут исказить результаты градуировки.

Некоторые варианты этого метода используются для измере­ ния пьезоэлектрических констант кристаллов и керамик.

2.8.МЕТОДЫ РАДИАЦИОННОГО ДАВЛЕНИЯ (МЕТОД РАДИОМЕТРА)

Вопределенных условиях для градуировки можно использо­ вать эффект второго порядка, называемый радиационным дав­ лением. Радиационное давление — это небольшое статическое давление, присутствующее в любой акустической волне. Радиа­ ционное давление ртв плоской бегущей волне с интенсивностью /, средней плотностью энергии Е, среднеквадратичным значе­