Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 137

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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

измерений и градуировки на инфразвуковых

частотах

и инди­

катора скорости или ускорения в диапазоне

звуковых

частот.

Другие трудности, связанные с резонансами

и уменьшением

длины волны, ограничивают использование метода на частотах

выше 1000 Гц. У данного

метода нет низкочастотного предела;

в установке Лаборатории

ВМС он

используется в диапазоне

от 0,3 до 1000 Гц.

не нужно

проводить какие-либо из­

Метод хорош тем, что

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

должно быть равно

гидростатическому давлению в камере

в пределах ±13,8-103

Па. Система компенсации вместе с обо­


2.5. Импедансные методы

63

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

характеристикам источника звука (давление,

скорость или сме­

щение) и акустическим импедансам

среды

и

границ

среды.

Электрическая эквивалентная

схема

для общего

случая

пред­

ставлена на рис. 2.18. Зная

 

 

 

 

 

параметры р0, u, Zs и Zm,

 

 

 

 

 

можно

определить

звуковое

 

 

 

 

 

давление

р в среде. Как и

 

 

 

 

 

в подобных случаях градуи­

 

 

 

 

 

ровки

сравнением

в малых

 

 

 

 

 

камерах (разд. 2.2.3) и гра­

 

 

 

 

 

дуировки

методом

взаимно­

 

 

 

 

 

сти

в

малых

камерах

 

 

 

 

 

(разд. 2.3.7), можно изме­

 

 

 

 

 

рять чувствительность толь­

Рис. 2.18. Эквивалентная схема акусти­

ко небольших жестких гид­

ческой системы,

используемой

в импе-

рофонов и только на низких

дансных методах

градуировки.

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


64

Гл. II. Методы и теория

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

 

Р = UZm = (jw X) Z m,

(2.40)

где

U —•объемная скорость и Zm — импеданс среды

(см.

рис.

2.18). Предполагается, что резонансы системы лежат выше

2.5. Импедансные методы

65

рабочего диапазона частот. Это значит,

что мы имеем дело

с чисто упругим импедансом и Zm представляет собой гибкость 1//юС. Импеданс Zm в действительности является суммарной гибкостью параллельной комбинации гибкостей: объема среды

Ст, стенок камеры и микрофона.

Две

последние гибкости

обычно гораздо меньше Ст, так что Zm ^

l//coCm. Тогда

 

 

 

 

 

p=ju>X

1

 

(2.41)

 

 

 

 

 

 

 

Из законов

для

газов следует, что

C=V/ypo, где V — объем,

Ро— статическое

давление,

 

 

 

у — отношение удельных теп­

 

 

 

лоемкостей газа. В значение

 

 

 

Ст

необходимо

ввести не­

 

 

 

которые малые

поправки,

 

 

 

учитывающие

теплопровод­

 

 

 

ность стенок камеры. Под­

 

 

 

робнее об этом методе чита­

 

 

 

тель может узнать из работ

 

 

 

[24—28].

 

 

пистонфон

 

 

 

Воздушный

 

 

 

 

можно использовать для гра­

 

 

 

дуировки гидрофонов, но в

 

 

 

этом

случае

метод

имеет

 

 

 

серьезный недостаток. Воз­

 

 

 

душная камера должна быть

 

 

 

малой, т. е. верхний частот­

 

 

 

ный предел градуировки ни­

 

 

 

зок. Верхний частотный пре­

 

 

 

дел

диапазона

градуировки

 

 

 

в камерах

с

наибольшими

 

 

 

размерами

порядка

10 см Рис. 2.20. Водно-воздушный пистонфон.

равен примерно 200 Гц. Для частичного устранения этого недостатка применяется водно-воз­

душный пистонфон. Водно-воздушный пистонфон показан на рис. 2.20. Здесь используется камера больших размеров, и боль­ шая часть ее заполнена водой. Поскольку длина волны в воде на данной частоте примерно в 5 раз больше, чем в воздухе, то волновые размеры полости камеры, заполненной водой, могут быть в 5 раз больше, чем в воздухе, без нарушения условия «размеры малы по сравнению с длиной волны». Таким образом, в камеру можно поместить больший гидрофон. При этом урав­ нения (2.40) и (2.41) не нарушаются. Гибкость воды много меньше гибкости воздуха, так что гибкостью воды, как и гибкостью стенок камеры, можно пренебречь. Звуковое давление

5 Заказ № 730


66

Гл. II. Методы и теория

распределено

приблизительно равномерно в жидкой среде, и

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

Дальнейшей модификацией

является водный пистонфон,

из которого вообще исключен

воздух и используется источник

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

 

p b= B L i\A ,

(2.42)

где

В — магнитная индукция,

L — длина катушки,

i — сила

тока,

А — площадь диафрагмы.

Импеданс Zs определяется мас­

сой диафрагмы и гибкостью ее упругой подвески. Эти величины

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

1/>Ст

В L i

(2 .43)

 

Z s + (l/y’“Cm)

А