Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

о

2.49, площадь под кривой измеряется планиметром. Если име­ ется излучение и в заднюю полусферу, то эту часть диаграммы

1

3?

I

1

§

§

Р и с. 2.50. Номограмма для расчета индекса направленности [50].

значения интеграла в формуле (2.87) с’помощью суммирования, т. е. вместо интеграла подставляется сумма

i=e

Рис. 2.50, нанесенный на кальку, помещается на измеряемую диаграмму направленности. Пиковое значение осевого уровня чувствительности (или 2 0 1 gpo) совмещается с нулевым поляр­ ным углом и с радиальным уровнем на верхней границе бланка,

0г, с контуром диаграммы. Положение точки пересечения опре­

счет делается через регулярные интервалы, скажем 5°, во всем промежутке от 0 до 180°; всего получается 37 измерений. Вели­ чина регулярного интервала Д0 должна быть выражена в ра­

Чi=o J

30 и т. д. дБ ниже верхней линии. Радиальная шкала содержит 10 дБ на деление (обычно на 1 дюйм, т. е. 4 дБ на 1 см). Если уровень диаграммы направленности, соответствующий 0 = 0 , находится на уровне —10 дБ, то все значения, считанные со шкалы криволинейных координат, должны быть умножены на 0,1. Если уровень, соответствующий 0= 0, равен —20 дБ, то считанные со шкалы значения нужно умножать на 0 , 0 1 и т. д. Отметим, что при 0 = 0 всегда Л0 = 0 , так как sin0° = 0 .

Угол 0 = 0 соответствует оси симметрии или, в общем случае, опорному направлению независимо от того, является ли оно направлением максимальной чувствительности (акустической

106 Гл. II. Методы и теория

осью). Если ось симметрии не совпадает с опорным направле­ нием, то при вычислении Di 0 = 0 принимается за ось симмет­ рии, а затем вводится поправка. Поправка в децибелах равна

такого случая является диаграмма направленности однородной линии или тонкого цилиндра. Она имеет форму тороида, или «бублика». Ось симметрии совпадает с этой линией или с осью цилиндра, а опорное направление обычно выбирается перпен­ дикулярно к этой оси. Тогда интенсивность в направлении ли­ нии или оси симметрии очень мала — меньше, чем средняя интенсивность. Это приводит к дробному значению R$ или отри­ цательному Di. После того как к Di добавляется большая раз­ ность между высоким уровнем чувствительности в направлении нормали к линии и малым уровнем в направлении, параллель­ ном линии, Di становится положительным.

Лаборатория электроники ВМС и фирма «Сайентифик Ат­ ланта» создали аналоговую систему для вычисления интеграла

Случай 3. Когда диаграмма направленности не совпадает ни с одной из идеальных диаграмм, как в случае 1 , и не имеет оси симметрии, как в случае 2 , задача интегрирования чрезвычайно усложняется. Если преобразователь не обладает круговой сим­ метрией, но симметричен в том смысле, что его правая и левая или верхняя и нижняя части являются зеркальными отображе­ ниями одна другой, то можно использовать процедуру усредне­ ния. Тогда измеряются диаграммы направленности в несколь­ ких плоскостях, проходящих через ось симметрии, и каждая обрабатывается, как в случае 2. Вычисляется среднее значение

(Нельзя усреднять Di в децибелах!) Когда вовсе нет сим­ метрии, приходится выполнять длительную и трудоемкую про­ цедуру трехмерного графического интегрирования, но к ней прибегают редко.

Заменой графическому или электронному интегрированию может служить метод диффузного поля, который эквивалентен акустическому интегрированию. Диффузным полем называется поле, в котором среднее по времени значение среднеквадратич­ ного звукового давления везде одинаково, а поток энергии во всех направлениях равновероятен. Чувствительность гидрофона в диффузном поле равна отношению среднего по времени вы­ ходного напряжения к звуковому давлению в диффузном поле. Таким образом, чувствительность в диффузном поле — это чув­ ствительность гидрофона в свободном поле, усредненная по

всем направлениям. Из этого следует, что отношение чувстви­ тельности в свободном поле к чувствительности в диффузном поле равно R B, 4 их разность составляет D*, если чувствитель­ ность выражена в виде 20 lg М. Этот метод теоретически выгля­ дит очень просто, однако он редко упоминается в литературе и использовался очень мало [52]. Основным недостатком метода является дороговизна постройки достаточно большой ревербе­ рационной камеры, в которой можно создать удовлетворитель­ ные условия диффузного поля.

2.13. ИМПЕДАНС

Под импедансом электроакустического преобразователя обычно понимают электрический импеданс, измеренный на его электрических зажимах. Если этому понятию придают другое значение, то его поясняют. Например, можно сказать, что мяг­ кий преобразователь имеет «низкий акустический импеданс». Электрический импеданс наряду с чувствительностью или уров­ нем чувствительности и диаграммой направленности является обычным и общепринятым параметром при градуировке и оцен­ ке свойств электроакустических преобразователей. Импеданс служит для трех целей: 1 ) дает информацию о согласовании импедансов между преобразователем и электронным излучаю­ щим или приемным оборудованием; 2 ) используется при вы­ числении к. п. д. преобразователя и возбуждающего напряже­

ными мостами, и теоретически такое измерение не отличается от измерения импедансов резистора, конденсатора или катуш­ ки. Но на практике необходимо учитывать несколько важных соображений. Акустический преобразователь должен иметь со­ ответствующую акустическую нагрузку — обычно это свободное поле. Подводный преобразователь должен быть погружен в воду, и влияние отражений должно быть пренебрежимо ма­ лым. Простой процедурой, позволяющей оценить влияние гра­ ничных отражений, является измерение импеданса в нескольких положениях или при нескольких ориентациях. Важную роль обычно играют условия заземления; неправильное заземление может привести к ошибочным результатам. Величина импе­ данса может зависеть от того, какой из двух зажимов преобра­ зователя заземлен, или от того, заземлен ли какой-либо вообще. Когда один из зажимов заземлен, включение называется несим­ метричным. Если оба зажима не заземлены и имеют один и тот же потенциал относительно земли, то включение называют

симметричным. Экран кабеля при несимметричном включении может быть присоединен к земле или оставлен «плавающим». Условия заземления в соленой воде отличаются от условий за­ земления в пресной. Если кабель длинный, порядка 30 м или более, то величина импеданса может зависеть от того, свернут он или вытянут, и от того, находится он в воде или нет. Эти эффекты обусловлены влиянием паразитных емкостей и индуктив­ ностей и сильнее всего проявляются на ультразвуковых часто­ тах. Все эти эффекты наблюдаются как при градуировке пре­ образователей, так и при измерениях импеданса. Общее пра­ вило состоит в том, чтобы условия заземления и соединения при измерении импеданса и чувствительности по возможности были близки к условиям реального использования преобразователей.

Переход от последовательных импедансов к параллельным импедансам или адмитансам и наоборот осуществляется по следующим формулам:

где R — сопротивление, X-— реактивное сопротивление, G — ак­ тивная проводимость, В — реактивная проводимость, а индексы s и р указывают на последовательное или параллельное вклю­ чение соответственно. Три способа выражения импеданса свя­ заны между собой следующим образом:

Четкое понимание природы импеданса электроакустического преобразователя необходимо при его использовании как анали­ тического средства. Хотя импеданс измеряется электрическим путем, он зависит от механических и акустических (или радиа­ ционных) характеристик преобразователя. Механическая масса, жесткость или гибкость и сопротивление дают свой вклад в электрический импеданс через характеристики электромеха­ нической связи, т. е. через пьезоэффект, магнитострикционный эффект, э. д. с., наведенную в проводнике, пересекающем маг­ нитные силовые линии, и т. д. Характеристики среды также