ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 140
Скачиваний: 0
5 6 |
Гл. II. Методы и теория |
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:
M d!= R bM } , |
(2.29) |
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.
Чувствительность |
можно непосредственно измерить при гра |
|
дуировке в диффузном поле. |
|
|
Предположим, |
что у нас |
имеется реверберационная камера |
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
можно считать состоящим из двух частей: 1) |
звукового поля |
Ри создаваемого непосредственно излучателем, |
и 2) диффузного |
2.3. Методы взаимности |
57 |
звукового поля pdf, создаваемого большим |
числом кажущихся |
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.
При |
надлежащем |
размещении |
Р, Т и Я для |
нахождения |
||
Mdf |
проводятся уже |
известные |
измерения, |
показанные на |
||
рис. |
2.5, |
и используется та же формула (2.17). |
Как |
и в других |
||
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.
Дистель показал, что уравнение (2.30) можно привести |
к виду |
Jdf= ( 2 h lPf ) • 10- 7, |
(2.31) |
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
58 |
Гл. II. Методы и теория |
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.
\ p d A \ \ i . |
(2.32) |
|
К |
/ |
|
Определим чувствительность в режиме приема М как отноше ние выходного напряжения холостого хода к единичному дав лению, усредненному по площадке Ат. Получим
M |
= e J - L - j p M \ . |
(2.33) |
Можно показать, что в этом общем случае [10] |
|
|
|
J = U (As)lp (Ат), |
(2.34) |
где U (Л8) — объемная |
скорость, создаваемая |
площадкой As, |
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
2.3. Методы взаимности |
59 |
волны As и А т представляют собой линии |
(цилиндры с беско |
нечно малыми диаметрами); для случаев плоской волны и трубы A s и Ат— площадки (в действительности две плоскопа
раллельные площадки, расположенные бесконечно |
близко друг |
к другу). В общем случае / представляет собой |
акустическую |
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
60 |
Гл. II. Методы и теория |
условия могут оставаться неизменными в течение более длитель ных отрезков времени, чем остается неизменной чувствительность гидрофона. Таким образом, градуировку методом взаимности можно повторять периодически, и результаты градуировки будут зависеть от локального значения J, а не от первоначальной чув ствительности гидрофона М.
2.4. НУЛЕВОЙ МЕТОД ДВУХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
Нулевой метод двух излучателей *) (TPNM) [23] получил та кое название потому, что в нем используются два излучателя и методика, при которой известная электромагнитная сила уравно вешивает неизвестное звуковое давление, действующее на диа фрагму, в результате чего смещение последней становится
Рис. 2.16. Установка для градуировки нулевым методом двух излучателей.
равным нулю. Эта система показана на рис. 2.16, а ее эквива
лентная |
схема — на |
рис. 2.17. Два |
излучателя |
возбуждаются |
общим |
генератором, |
позволяющим |
изменять |
относительную |
фазу и амплитуду двух сигналов. При этом на диафрагму ну левого излучателя действуют две силы: 1) электромеханическая сила F нулевого излучателя и 2) сила, обусловленная звуковым давлением р, создаваемым в среде вторым излучателем и воз действующим на площадь А диафрагмы нулевого излучателя. Меняя фазу и амплитуду, добиваются равенства амплитуд и противоположности фаз этих двух сил. Моменту компенсации в эквивалентной схеме соответствует обращение в нуль скоро
сти и; |
при этом р и FIA становятся равными. Индикатор сме |
||
щения |
диафрагмы |
отмечает момент |
компенсации. Поскольку |
две силы равны, то |
|
|
|
|
|
p A — F. |
(2.35) |
^ В СССР этот метод носит название «метод электродинамической ком пенсации».— Прим. ред.
2.4. Нулевой метод двух излучателей |
61 |
В качестве нулевого излучателя наиболее удобен электро динамический преобразователь. Для такого преобразователя
F = B L i , |
(2.36) |
где В — магнитная индукция, L — длина катушки, |
i — сила |
тока. Тогда |
|
p = B L i\A . |
(2.37) |
Выражение BL/A есть постоянная, не зависящая от частоты и стабильная во времени. Ее можно измерить в статическом режиме, уравновешивая малое измеримое изменение гидроста-
АЛЛ,---------------1------------ |
W V |
Нулевой |
Изл |
изл |
|
Рис. 2.17. Эквивалентная схема установки, показанной на рис. 2.16.
тического давления Apdc постоянным током |
idC через нулевой |
излучатель. Тогда |
|
B L IA = A p dclidc. |
(2.38) |
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
М |
еос |
еос |
l dc |
(2.39) |
|
ВЫ/А |
i |
pgh |
|||
|
|
||||
и не нужно определять Znp или |
какой-либо другой импеданс |
||||
в системе. |
|
|
|
|
|
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
