ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 119
Скачиваний: 0
UNDERWATER ELECTROACOUSTIC MEASUREMENTS
г by
ROBERT J. BOBBER
Naval Research Laboratory
Underwater Sound Reference Division
Orlando, Florida
NAVAL RESEARCH LABORATORY
WASHINGTON, D. C.
JULY 1970
Р. Дж. БОББЕР
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
Перевод с английского
Б. И. РОМАНЮКА и А. Д. ШПИЛЬКИНА
Под редакцией
А. Н. ГОЛЕНКОВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР
МОСКВА 1974
УДК 534(204.1)
Монография известного американского специалиста в области гидроакустики посвящена теории и практике гидроакустических измерений, широко применяющихся сейчас для решения разно образных научно-технических задач. Рассмотренные в книге ме тоды и аппаратура находят применение, помимо акустики, в гео логии, медицине, механике и физике твердого тела.
Наиболее полно рассматривается градуировка преобразовате лей, неразрывно связанная с проблемой измерения звука в воде. Изложены практически все современные методы градуировки, а также основные типы американских гидрофонов и излучателей, их конструкции и характеристики. Автор дает много полезных со ветов и рекомендаций по практическому использованию описы
ваемых методов.
Книга богато иллюстрирована рисунками и графиками, напи сана ясно и сжато, не перегружена математическими выкладками. Она представит несомненный интерес для научных и инженер но-технических работников, имеющих дело с гидроакустическими измерениями, а также для специалистов многих смежных обла стей. Ее можно рекомендовать и в качестве учебного пособия для аспирантов и студентов акустических специальностей.
Редакция космических исследований, астрономии и геофизики
20806-103 |
©Перевод на русский язык, «Мир»', 1974 |
|
Ь 041(01)-74 |
||
|
ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Гидроакустические измерения вышли сегодня за пределы ла бораторных исследований и получили широкое применение при решении разнообразных практических и научных задач, причем не только в гидроакустике. Гидроакустические методы исследования и приборы применяются в геологии, медицине, в работах по точной механике, по физике твердого тела и в дру гих областях науки и техники, где приходится иметь дело с до статочно плотной средой. Существенно расширился круг специа листов, нуждающихся в овладении практикой гидроакустиче ского эксперимента, основой которого являются подводные электроакустические измерения.
Монография Р. Боббера посвящена теории и практике гидро акустических измерений. Книга содержит также описание ори гинальных работ самого автора — известного специалиста США в области гидроакустики. Основное внимание автор уделил гра дуировке гидрофонов (и излучателей), так как она неразрывно связана с проблемой измерения звука (главным образом зву кового давления) в воде и по существу определяет уровень точ ности всех гидроакустических измерений. Кроме того, при гра дуировке преобразователей наиболее отчетливо проявляются спе цифические особенности условий среды, зависящие от частоты.
В книге эти общие особенности рассмотрены на примерах конкретных методов измерений, причем одинаковое внимание
уделено как акустической, так и электрической частям уста новок.
Описаны практически все современные методы градуировки
преобразователей, включая |
«методы ближнего поля» и оценки |
в статическом режиме, а |
также основные типы измеритель |
ных гидрофонов и излучателей, разработанных и применяемых в США в качестве образцовых.
К достоинствам книги бесспорно следует отнести простоту изложения материала в практической трактовке, а также то, что автор подмечает некоторые тонкости, которые часто выпадают из поля зрения начинающих исследователей и специалистовнегидроакустиков.
6 |
От редактора перевода |
В книге содержится много квалифицированных практических рекомендаций, сделанных автором на основе его многолетнего опыта работы в области гидроакустических измерений.
Несмотря на минимум математических выкладок, книга дает ясное представление о физических основах современных элект роакустических методов измерений в гидроакустике. Книга бо гато иллюстрирована рисунками, схемами, графиками, поясняю щими изложение и восполняющими в ряде случаев его краткость.
При переводе книги единицы измерений даны в системе СИ (или СГС); были по возможности устранены редакционные погрешности и опечатки, замеченные в оригинале. Как правило, сохранялись обозначения и сокращения оригинала. Однако в не которых случаях, ,в частности в формуле (3.46), обозначения были изменены на обычно применяемые в отечественной лите ратуре. Термин «затенение» («shading») в гл. 2 имеет общий смысл изменения поля в апертуре (см. книгу Л. Кампа «Подвод ная акустика», изд-во «Мир», 1972, стр. 180); в более узком смысле изменения профиля амплитуды (в гл. 4) он переведен как «спадание».
Книга предназначена для научных работников и инженеров, занимающихся гидроакустическими измерениями и вопросами прикладной гидроакустики, для работников морского и речного флота, метрологических и заводских акустических лабораторий, а также для специалистов смежных областей, занимающихся, например, акустическими методами неразрушающего контроля, динамическими испытаниями материалов, сейсмокардиографией в медицине и т. п. Ее можно использовать и как учебное по собие для аспирантов и студентов акустических специальностей.
Перевод книги выполнен Б. И. Романюком (гл. I, IV, V) и
А. Д. Шпилькиным (гл .II, III, VI).
А. Н. Голенков
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ
Книга написана на основании 20-летнего опыта работы ав тора, а также проведенных им исследований и наблюдений в качестве сотрудника Лаборатории гидроакустических измере ний ВМС США. С самого начала ее образования в 1941 г. как научно-исследовательской лаборатории отделения военных ис следований Колумбийского университета эта организация спе циализируется в области подводных электроакустических изме рений. В 1945 г. она стала Лабораторией гидроакустических измерений (USRL) ВМС, а в 1966 г.— Отделением гидроакусти
ческих измерений Научно-исследовательской лаборатории ВМС
(USRD—NRL). У
Можно надеяться, что книга будет полезным справочным по собием для многих специалистов ВМС и промышленности, свя занных с разработкой, эксплуатацией гидроакустических стан ций и с другими аспектами подводной электроакустики, а также для ученых, инженеров и техников, использующих в своей прак тической работе гидроакустические преобразователи.
Роберт Дж. Боббер
I
ВВЕДЕНИЕ
1.1. ЦЕЛЬ КНИГИ
Всем, кто связан с исследованием и использованием глу бин океана в военных, промышленных или научных целях, при ходится сталкиваться с проблемами локации и связи, весьма отличными от аналогичных проблем в любой другой среде. Вод ная среда — серьезное препятствие для проникновения в ее толщу человека и аппаратуры. Она практически непрозрачна для лучей видимой и инфракрасной областей спектра, для из лучений радио- и СВЧ-диапазонов — всех тех известных нам ви дов электромагнитного излучения, которые используются для локации и связи в атмосфере и космическом пространстве. Аку стические сигналы являются в настоящее время (и, вероятно, останутся в будущем) наиболее эффективным средством пере дачи информации в воде на расстояния свыше нескольких метров.
Поэтому электроакустические преобразователи , являются практически единственным средством для приема звука в воде и в большинстве случаев для генерирования в ней управляемых акустических сигналов.
Электрические и акустические измерения, описанные в этой книге, служат для градуировки, испытаний или оценки гидро акустических преобразователей, а также для обеспечения не посредственного излучения, обнаружения и измерения акусти ческих сигналов в воде, выражаемых обычно в единицах зву кового давления. И те и другие измерения мы будем относить к подводным электроакустическим измерениям.
Потребность в подводных электроакустических измерениях возникла в связи с развитием гидроакустических средств воен ного назначения для навигации, локации, связи, которые в пер вую очередь дали толчок для разработки методов подобных из мерений. Однако определенную роль сыграло и использование звука в жидких средах для ультразвуковой терапии, ультразву ковых методов очистки, линий задержки, измерителей потока жидкости. Возрастающий в последние годы интерес к океано графии и морским наукам еще более усилил значение подвод ной акустики и электроакустики в научных исследованиях и при решении практических задач. Поскольку человек, проникая на все большие глубины океана, старается освободиться от стесняющих его электрических кабелей, электроакустические
10 Гл. I. Введение
приборы становятся его глазами, ушами и голосовым аппаратом в воде.
Акустика, особенно гидроакустика,— не очень точная наука. Обычно вторая значащая цифра, получаемая в измерениях, сом нительна, а третья часто не имеет смысла. Точность измерений порядка ±1 дБ (или примерно ±10% от амплитудного значе ния) в большинстве случаев оказывается вполне достаточной. В определенной степени это объясняется нестабильностью вод ной среды и неблагоприятной окружающей обстановкой, в ко торой должны использоваться электроакустические приборы. Если исключить условия работы в лабораториях, вода не яв ляется простой, стабильной, однородной, спокойной и безобид ной средой, как о ней может сложиться мнение у неспециалиста. Влияния температуры, гидростатического давления, растворен ных солей и газов, морских организмов, загрязняющих веществ, пузырьков воздуха, метеорологических и граничных условий яв ляются настоящим бичом для тех, кто занимается гидроакусти ческими измерениями в океане. Действительно, физико-химиче ские свойства самой воды изучены еще плохо [1—3]. Проекти рование приборов, пригодных для длительной работы в воде, до сих пор является молодой областью техники.
Водная среда имеет значительно большую плотность и, сле довательно, существенно меньшую податливость, чем воздух. Волновое сопротивление воды в 3500 раз больше, чем воздуха. Эти свойства, а также нестабильность и «агрессивность» боль шого объема водной среды приводят к тому, что аппаратура для
электроакустических |
измерений |
в воде нисколько |
не похожа |
на ту аппаратуру, |
которая |
используется для |
измерений |
ввоздухе.
Вряде хорошо известных книг [4—15] и в справочных ма териалах [16] освещаются теория и методы электроакустических измерений, но в очень ограниченной степени или только приме нительно к акустике воздушной среды. В данной книге автор поставил перед собой задачу дать всесторонний обзор теории и практики подводных электроакустических измерений. Единст венным литературным источником в этой узко специализирован ной области техники были так называемые «красные книги» периода второй мировой войны [17—20], которые широко из вестны, но к настоящему времени уже устарели.
1.2.КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
История развития методов и техники градуировки подводных электроакустических преобразователей начинается примерно в 1941 г. До того времени интерес к этой области техники был весьма ограниченным и развивалась она слабо. Некоторые
1.2. Краткая историческая справка |
11 |
ученые, главным образом за пределами США [21—25], прово дили эксперименты по разработке методов измерения звуко вого давления в жидкостях. Однако эти методы были весьма сложными и их практическое применение редко выходило за рамки лабораторных работ. Были разработаны методы градуи ровки микрофонов в воздухе, но они не позволяли производить подводные измерения и ограничивались диапазоном частот, ле жащих в области слышимых звуков. В 1941 г., накануне вступ ления США во вторую мировую войну, возможности ВМС США в части градуировки преобразователей гидроакустических стан ций были крайне незначительны.
Управление по научным исследованиям и разработкам, при знав отставание в этой области исследований, в июле 1941 г. заключило контракт с фирмой «Белл телефон лэборэтриз» (BTL), а в марте 1942 г.— с Отделением военных исследований Колумбийского университета (CUDWR) на организацию лабо ратории гидроакустических измерений. Фирма «Белл» должна была оснастить эту лабораторию контрольно-измерительными приборами и измерительными системами, а отдел военных ис следований Колумбийского университета — обеспечить ее кад рами, способными разрабатывать методы и осуществлять гра дуировки гидроакустических приборов.
В 1940 и 1941 гг. Маклин [26] и Кук [27] независимо друг от друга разработали методы градуировки электроакустичес ких преобразователей на основе принципа взаимности. Для ре ализации этих методов требовалось провести только электриче ские измерения и использовать несколько легко определяемых постоянных. Метод градуировки с использованием принципа вза имности оказался важным научным достижением, которое про двинуло вперед научные основы градуировки преобразователей гидроакустических станций. Летом 1942 г., спустя несколько ме сяцев после организации Лаборатории гидроакустических изме рений, она начала изучать и проверять экспериментально ос новы градуировки с использованием принципа взаимности и установила, что этот метод является точным и надежным спосо
бом испытаний и оценки преобразователей гидроакустических станций.
В период с 1942 по 1945 г. разработка методов градуировки, испытания и оценки преобразователей гидроакустических стан ций в Лаборатории гидроакустических измерений [17], в специа лизированных лабораториях Гарвардского [19] и Калифорний ского университетов [20] продвигалась очень быстро. Метод градуировки с использованием принципа взаимности был постав лен на прочную теоретическую и экспериментальную основу. Были разработаны практические процедуры проведения изме рений в мелководных озерах и бассейнах.