Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

в плоскости, содержащей такую ось, дает представление о пол­ ной диаграмме.

Диаграмма направленности излучения является представле­ нием дальнего поля, или зоны дифракции Фраунгофера. Это зна­ чит, что излучаемое звуковое давление наблюдается и измеря­ ется на «эффективно бесконечном» расстоянии от преобразова­ теля. Расстояние считается «эффективно бесконечным» тогда, когда ослабление сигнала из-за сферического расхождения волн практически одинаково для сигналов, исходящих из всех точек преобразователя, и звуковые лучи, приходящие от преобразо­ вателя к точке наблюдения, можно считать параллельными. Таким образом, интерференция волн, приводящая к возникно­ вению направленности или дифракции Фраунгофера, для одно­ родных излучателей целиком обусловлена разностью фаз между сигналами от разных частей преобразователя. Ближнее поле—■ зона дифракции Френеля, или зона интерференции, — обуслов­ лено как разностью амплитуд, так и разностью фаз.

Практические критерии для «эффективно бесконечных» из­ мерительных расстояний рассматриваются в разд. 3.4. В общем,, расстояние должно быть велико по сравнению с наибольшим размером преобразователя в плоскости вращения.

Кроме выполнения условий дальнего поля, должны быть, обеспечены также хорошие условия свободного поля. Для изме­ рения диаграмм направленности необходимы более совершен­ ные условия свободного поля, чем при измерении чувствитель­ ности. Поэтому требуются большие измерительные расстояния и измеряется большая «разница» между сигналами с высоким уровнем (на оси) и сигналами с малыми уровнями (на боковых лепестках). В качестве иллюстрации укажем, что отражения, шум или другие паразитные сигналы могут быть на 26 дБ ниже уровня чувствительности в осевом направлении и вносить при этом малую ошибку (±0,5 дБ) в чувствительность на оси. Такой же паразитный сигнал привел бы к большой (от +3,5 до —6 дБ) ошибке для бокового лепестка с уровнем на 20 дБ ниже основного лепестка.

2.11.1. Однородные излучатели

Приведем математические выражения р (0), нормированной диаграммы направленности, для некоторых простых однородных излучателей.

а. Плоский однородный круглый поршень в экране:

92 Гл. II. Методы и теория

б. Плоский однородный прямоугольный поршень в экране в плоскости, параллельной краю, или однородная сплошная прямая линия:

торой сила источника максимальна в центре и линейно спадает к нулю на концах) :

г. N однородных источников, расположенных на прямой ли нии на равных расстояниях друг от друга:

0 — угол между осью или нормальным направлением и направ­ лением наблюдения, т. е. переменная величина во всех выраже­ ниях.

Графики для случаев а— в показаны на рис. 2.41. Кривые применимы для преобразователей любых размеров и для любой частоты, так как по оси абсцисс отложен нормированный пара­ метр (лг/А,) sin 0. Формулы и графики для излучателей других конфигураций можно найти в литературе [41—46].

График для линии из N точечных источников не приведен на рис. 2.41, так как он резко отличается от графиков сплошных источников. Наиболее характерной особенностью кривой для линии из точечных источников является высота боковых лепест­ ков. Если расстояние между соседними точками равно длине волны или больше, то (N—1)-й, 2 (N—1)-й, 3 (N—1)-й и т. д. боковые лепестки имеют ту же высоту, что и главный лепесток. Высота остальных лепестков зависит от N. При увеличении числа точек на единице длины и уменьшении расстояния d между соседними точками в знаменателе формулы (2.75) можно использовать приближение sin {(nd/l) sin 0} ~ (зтс7/А) sin 0. Тогда (2.75) и (2.73) становятся одинаковыми, причем Nd становится эквивалентным х и линейная группа точечных источников ап­ проксимирует сплошную. На рис. 2.42 показан график для ли­ нии из 6 точечных источников.

94 Гл. II. Методы и теория

Некоторые излучатели обладают свойствами и непрерывных, и дискретных источников. Например, большая плоская решетка часто состоит из многих отдельных элементов, каждый из кото­ рых представляет собой маленький направленный излучатель. Это значит, что элементы не являются точечными излучателями. Между отдельными элементами существуют промежутки, так что, даже если элементы колеблются с одинаковыми фазами и амплитудами, решетка не излучает как сплошной однородный поршень. Аналогичная ситуация существует для линейного из­ лучателя, состоящего из элементов. В таких случаях полезно использовать теорему произведения Бриджа. Представим себе систему излучателей, работающих на одной и той же частоте, с идентичными диаграммами направленности, одинаковой ориен­ тацией в пространстве, но, возможно, с различными амплиту­ дами и фазами колебаний, влиянием которых друг на друга можно пренебречь. Теорема Бриджа утверждает, что диаграмма направленности такой системы излучателей равна произведению диаграмм направленности совокупности воображаемых точеч­ ных излучателей, имеющих то же распределение в пространстве, те же амплитуды и фазы, что и реальные преобразователи, на диаграмму направленности отдельного излучателя.

Так, например, если ожидаемый уровень диаграммы направ­ ленности для решетки из воображаемых точечных излучателей в некотором направлении 0 равен 0,5 (или —6 дБ), а ожида­ емый уровень диаграммы направленности отдельного реального излучателя равен 0,9 (или —1 дБ) при том же угле 0, то уро­ вень диаграммы решетки или совокупности источников для угла 0 должен быть 0,45 (или —7 дБ).

Содержащееся в теореме предположение о слабом воздейст­ вии одного излучателя на остальные играет важную роль при малых расстояниях между элементами (доли длины волны) и

вслучае, если механический импеданс преобразователя мал.

2.11.2.Неоднородные излучатели

Если смещение или скорость точек диафрагмы или излучаю­ щей поверхности преобразователя, работающего в режиме излу­ чения, не одинаковы по амплитуде и фазе, то преобразователь называют неоднородным излучателем. Диафрагмы некоторых преобразователей не движутся как жесткий поршень, а изгиба­ ются. Изгибные и другие моды неоднородных колебаний обычно используются для получения резонанса на низких частотах. В таких случаях преобразователь является практически нена­ правленным и неоднородность оказывает пренебрежимо малое влияние на диаграмму направленности.

Примером другого, более важного типа неоднородности слу­ жит «затененный» преобразователь. Здесь неоднородность вво­ дится в однородный излучатель для формирования диаграммы направленности с основной целью снизить уровень боковых ле­ пестков. Преобразователь обычно представляет собой плоскую решетку элементов, механически идентичных друг д р угу , чтобы, например, все элементы резонировали на одной частоте. Однако наружные, или периферические, элементы возбуждаются элект­ рическим сигналом с более низким уровнем, чем внутренние элементы. Для формирования заданной диаграммы направлен­ ности наряду с изменением амплитуд применяется также изме­ нение фазы и расстояния между отдельными элементами.

Соотношение (2.74) применимо к «затененной» линии, т. е. к линии, у которой амплитуда колебаний максимальна в центре и линейно спадает к нулю на концах. Из сравнения графиков выражений (2.73) и (2.74) на рис. 2.41 видно, что «затенение» приводит не только к существенному снижению уровня боковых лепестков, но и к уширению основного лепестка. К сожалению, эти два эффекта неразделимы.

Вопросу о контроле формы диаграммы направленности по­ священа обширная литература [41—45]. Формирование диа­ граммы направленности широко используется в преобразовате­ лях гидролокаторов. При проведении измерений полезно знать, является ли преобразователь однородным или неоднородным из­ лучателем. Это помогает не только обнаружить ошибки или не­ исправности оборудования, но и правильно выбрать условия измерений, в частности минимальное допустимое расстояние между излучателем и гидрофоном при градуировке.

2.11.3. Ширина лепестков и уровень боковых лепестков

Диаграммы направленности обычно характеризуются шири­ ной основного лепестка и относительным уровнем наибольшего (обычно первого) бокового лепестка. Шириной основного лепе­ стка называется 'угол между двумя направлениями по обе сто­ роны основного лепестка, в которых звуковое давление имеет фиксированный уровень относительно звукового давления на оси. Стандартного фиксированного уровня не существует, поэтому обычно берут —3, —6 и —10 дБ. Используемый уровень и ши­ рину основного лепестка следует указывать, например, так: «ширина основного лепестка по уровню —6 дБ». Следует пом­ нить, что ширина лепестка равна полному углу между двумя направлениями — по одному с каждой стороны от оси. В тех случаях, когда диаграмма имеет ось симметрии, иногда указы­ вают половину ширины основного лепестка. Половинная ширина равна углу между осью и направлением с определенным