Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

динамического адмитанса при нормальной нагрузке на воду дается формулой Dw = (p2/(Rm+Rr)- Если преобразователь ра­ ботает в воздухе, то Rr равен нулю во всех практических слу­ чаях и диаметр окружности динамического адмитанса для воз­

где G — полная проводимость при резонансе.

Rm/fz

Rr/?2

Рис. 2.55. Эквивалентная схема электроакустического преоб­ разователя, когда динамический импеданс j(X m+ J r)/<p2 равен нулю.

Аналогично для преобразователей с магнитной связью мож­ но показать, что

где Dw и Da теперь обозначают диаметры окружностей динами­ ческих импедансов, a R — полное сопротивление при резонансе.

с большей точностью, чем акустическое давление, и может сло­ житься впечатление, что импедансный метод лучше, чем пря­ мой. Это неверно. Помимо погрешностей измерений, импеданс­ ный метод основан на исходных предположениях о том, что электроакустический преобразователь точно описывается экви­ валентной схемой, изображенной на рис. 2.51, в которой импе­ дансы представляют собой сосредоточенные параметры, неза­ висимы друг от друга и в системе нет паразитных импедансов. Множество получаемых на практике необычных импедансных

преобразователей. Это также связано с типом самого преобра­ зующего элемента. Напомним, что многие пьезоэлектрические преобразователи состоят из кристаллов или керамических эле­ ментов, погруженных в масло и заключенных в резиновый кор­ пус. Удаление водной нагрузки не уменьшает импеданс излуче­ ния до нуля. Резина и масло остаются и нагружают кристалл. Если окажется, что слой резины и масла имеет толщину, при­ мерно равную четверти длины волны, то импеданс излучения в действительности будет выше в воздухе, чем в воде! Более детальное описание теории импедаисного метода можно найти в литературе [45, 54, 55].

Импедансный метод следует применять в случаях, когда удобства применения важнее, чем необходимость получить вы­ сокую точность.

2.15. ЛИНЕЙНОСТЬ И ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН

Линейность и динамический диапазон являются связанными понятиями, так как оба они относятся к зависимости градуи­ ровки преобразователя от уровня сигнала.

Понятие «линейность» имеет точный математический смысл. Преобразователь линеен, если его выходная величина пропор­ циональна входной, т. е. если отношение величин выход/вход постоянно и не зависит от абсолютного значения входной и вы­ ходной величин. Если выходная величина представлена как функция входной в прямоугольной системе координат с линей­ ным масштабом, то преобразователь линеен в той области, где график представляет собой прямую линию. Для гидрофона

ной величиной является давление свободного поля, а входной — ток или напряжение.

Динамический диапазон имеет менее точное определение, чем линейность. В общем случае он является мерой диапазона изменений амплитуды сигнала, в котором гидрофон можно ис­ пользовать для обнаружения и измерения звукового давления. Обычно динамический диапазон определяют как «разность между уровнем давления перегрузки и уровнем звукового дав­ ления, эквивалентного шуму».

Термин «перегрузка» не имеет точного смысла ни в качест­ венном, ни в количественном отношении. Перегрузка может быть вызвана искажением сигнала, перегревом, магнитным на­ сыщением, повреждением и т. д. Метод определения перегрузки должен быть указан. Любые количественные критерии, напри­ мер процент содержания гармоник в сигнале, также должны быть определены.

ратичное синусоидальное давление, которое создало бы средне­ квадратичное значение напряжения, равное напряжению, созда­ ваемому собственным шумом преобразователя при измерении шума в полосе 1 Гц на центральной синусоидальной частоте. Таким образом, звуковое давление, эквивалентное шуму, равно теоретическому порогу, при котором отношение сигнал/шум равно 1, т. е. О дБ. На практике порог, или минимальное значе­ ние обнаруживаемого сигнала, может быть как выше, так, и ниже давления, эквивалентного шуму. Измерения редко можно проводить в полосе 1 Гц. Обычно используются полосы шире 1 Гц, что приводит к повышению выходного среднеквадратич­ ного напряжения собственного шума и к маскировке сину­ соидального сигнала, имеющего такое же выходное средне­

позволяют обнаруживать и измерять сигналы с уровнями, лежащими намного ниже уровня шума. Измерение уровня

до тех пор пока начинают наблюдаться признаки перегрузки. Поскольку признаки перегрузки выбираются довольно произ­ вольно, то преобразователь может показать нелинейность, еще не будучи перегруженным. Например, магнитострикционным преобразователям органически присуща нелинейность, и они проявляют нелинейность чувствительности при гораздо более низком уровне сигнала, чем допустимый максимум (или точка перегрузки). Обратное утверждение тоже верно, т. е. преобра­ зователь может оставаться линейным, даже будучи перегружен­ ным. Например, перегрузка электродинамического преобразова­ теля обычно обусловлена нагревом обмотки катушки. Однако отношение «выкодное давление/входной ток» существенно не за­ висит от нагрева катушки; это значит, что электродинамический преобразователь с нагретой катушкой еще может быть линей­ ным. В некоторых работах линейность и динамический диапазон считаются синонимами. Это верно только тогда, когда в каче­ стве критерия перегрузки выбрана нелинейность и когда пре­ образователь линеен до уровня его собственных шумов. Послед­ нее условие редко выполняется, так как при низких уровнях сигнала, соизмеримых с уровнем звукового давления, эквива­ лентного шуму, они интерферируют.

Динамический диапазон не применяется в отношении излу­ чателей, так как минимальный сигнал, который может создать излучатель, не представляет практического интереса. Важно

именно ограничение диапазона изменений амплитуды сигнала сверху.

Некоторые преобразователи гидролокационных станций воз­ буждаются сигналами с уровнями, превышающими диапазон линейности. С возникающими нелинейными эффектами (иска­ жения и т. д.) мирятся, так как они менее важны, чем другие технические или экономические соображения. Испытания и гра­ дуировки можно проводить и с нелинейными преобразовате­ лями, но эти измерения имеют узкое применение. Формальные определения чувствительности по току в режиме излучения, приемной чувствительности в свободном поле, импеданса, к. п.д. и т. д. относятся только к Линейным преобразователям, и эти термины не имеют общепринятого значения при использовании нелинейных преобразователей. Когда измерения проводятся с нелинейными преобразователями, должно быть указано абсо­ лютное значение по меньшей мере одного из параметров (дав­ ление, напряжение или сила тока). Поскольку нелинейные иска­ жения присущи всем нелинейным системам, то необходимо ука­ зать также, относятся ли данные только к основной частоте или же к суммарному сигналу из основной частоты и гармоник. В общем случае условия измерений для нелинейных преобразо­ вателей должны быть подробно уточнены, а результаты изме­ рений нельзя экстраполировать на другие условия.

2.16. ИЗМЕРЕНИЯ ШУМА

Имеются два стандартных определения шума. Согласно пер­ вому из них, шум — это нежелательный звук. Так, например,, если сигнал одного гидролокатора интерферирует с сигналом второго, то сигнал первого является шумом для второго, даже если он представляет собой синусоидальные колебания. По­ меха от питания с промышленной частотой тоже является шу­ мом. Согласно второму определению, шум представляет собой не­ устойчивое, прерывистое или статистически случайное колебание.

Некоторые шумы могут быть неустойчивыми и прерывисты­ ми, но при этом все же привязанными к некоторым дискретным частотам. Такой шум имеет линейчатый спектр (этот термин заимствован из оптической спектроскопии). Есть шум, имеющий непрерывный спектр, т. е. его частотные составляющие распре­ делены непрерывно в некотором диапазоне частот.

При проведении измерений нас интересуют шумы в основ­ ном второго типа, и мы сосредоточим внимание на шумах с не­ прерывным спектром.

Можно предположить, что такие шумы являются наложе­ нием бесконечного числа синусоидальных сигналов с различны­ ми частотами и случайными амплитудами, распределенными