ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 159
Скачиваний: 0
120 |
Гл. If. Методы и теория |
относительно |
некоторой средней амплитуды. Относительная |
средняя амплитуда каждой частотной составляющей зависит от типа шума. Если средняя амплитуда не зависит от частоты, то шум называют белым по аналогии с белым светом.
Амплитуда окружающего морского шума уменьшается на 5 дБ на октаву при увеличении частоты. В большинстве прак тических случаев амплитуда слабо зависит от частоты. Полная звуковая энергия в конечной полосе частот распределена по бесконечному числу частот. Звуковая энергия одной частотной компоненты исчезающе мала, и шум нужно измерять в некото рой полосе частот.
Звуковая энергия в полосе частот зависит от ширины по лосы и от того, каким образом изменяются амплитуды частот ных составляющих. Если шум является практически белым, то энергия пропорциональна ширине полосы. Среднеквадратичное давление в полосе акустического шума не имеет универсальной связи со звуковой энергией. Однако в большинстве практиче ский случаев квадрат среднеквадратичного давления (или сред нее значение квадрата давления) пропорционален энергии и, следовательно, пропорционален также ширине полосы частот. Таким образом, акустический шум характеризуется среднеквад ратичным значением квадрата давления р2 и шириной полосы Af, в которой измеряется р2. Спектральный уровень давления, или PSL, определяется формулой
PSL = 2 0 |
lg (p IPo) — 10 lg А/, |
|
(2.107) |
|
где ро — опорное давление |
0,0002 дин/см2, а |
А/ — ширина по |
||
лосы в герцах. Таким образом, |
PSL на частоте / 0 равно уровню |
|||
среднеквадратичного давления |
относительно |
0 , 0 0 0 2 |
дин/см2 |
|
в полосе частот шириной 1 |
Ец со средней частотой /о- |
Обычно |
||
трудно проводить измерения в |
полосе 1 Гц, |
и, следовательно, |
||
10 lg Af больше нуля. Если шум не является |
практически бе |
|||
лым, то измеряется среднее значение PSL. Выбор ширины по |
||||
лосы на практике обычно |
является компромиссным. |
Ширина |
||
полосы должна быть достаточно узкой, чтобы проследить изме нения PSL в зависимости от' частоты, но не настолько узкой, чтобы случайная мгновенная амплитуда шума могла стать до статочно большой и не позволяла измерить р2 точно. Е1а рис. 2.56 показано, как выглядит шум на ленте самописца при записи белого шума через различные фильтры.
При электроакустических измерениях уровни шума измеря ются для двух целей. Во-первых, может быть интересен сам акустический шум, например шум корабля. Для измерения шума необходим специальный измерительный прибор; градуиров ка его рассматривается в разд. 2.16.1. Во-вторых, интересен соб ственный шум измерителя или измерительной системы, по-
2.16. Измерения шума |
121 |
скольку он ограничивает минимальный измеримый уровень сигнала или указывает нижний предел динамического диапа-
6000 Гц
зона. Это ограничение обусловливается давлением, эквивалент ным шуму, и рассматривается в разд. 2.16.2.
2.16.1. Градуировка измерителя шума
Измеритель шума можно отградуировать, помещая гид рофон в известное шумовое поле. Однако для определения характеристик шумового поля необходимо использовать другой образцовый прибор или измерительную установку. Иначе го воря, неизбежно возникает необходимость в одном из описан ных в этой главе методов абсолютной градуировки гидрофонов в непрерывном режиме. Допустим, что у пас имеется отградуи рованный гидрофон; рассмотрим шумоизмерительную систему,
показанную на рис. 2.57. Электроакустический |
элемент гидро |
||||
фона представлен генератором Тевенина с напряжением |
eg и |
||||
импедансом |
Z; |
eg = Mp, где |
М — известная |
чувствительность |
|
по напряжению |
в свободном |
поле, а р — неизвестное звуковое |
|||
давление; |
ei представляет |
собой известное |
напряжение |
на |
|
122 |
Гл. II. Методы и теория |
сопротивлении R. Сам измеритель включает в себя гидрофонный предусилитель, фильтры и другие электронные узлы. Он может содержать также генератор напряжения, подаваемого на R. Отсчет по вольтметру, самописцу, осциллографу или какомулибо другому прибору используется для измерения или наблю дения сигнала на выходе системы, обозначенного е0. Если R мало по сравнению с Z и с входным сопротивлением измери-
/
Р и с. 2.57. Прибор для измерения акустического шума. 1 — генератор Тевенина, замещающий гидрофон; 2 — измеритель (предусилитель, фильтры и т. д.); 3 — калибровочный сигнал.
теля, то отношение e0/eg = e0 /e, = К, где /( — градуировочная по стоянная прибора. Тогда
_£о__ |
(2.108) |
|
eg ~ Мр |
||
|
||
или |
|
|
е0\р = М К . |
(2.109) |
В случае синусоидального звукового давления (2.109) может служить градуировочной формулой, причем е01р — чувствитель ность системы, выраженная через известную чувствительность гидрофона М и постоянную измерителя К-
Если р является среднеквадратичным давлением шума в по лосе частот, то М и К должны быть известны для всей полосы частот, а е02 должно быть пропорционально р2 или полной мощ ности в частотной полосе. Обычные вольтметры, даже если они отградуированы в единицах среднеквадратичного напряжения, не являются измерителями мощности. Объединение (2.107) и (2.109) дает
PSL = 20 lg е0 - 20 lg М/С- 20 lgр0 - 10 lg А/. (2.110)
Используется значение М/С на центральной чистоте полосы про
2.16. Измерения шума |
123 |
пускания. Любое изменение М и К с частотой при этом учиты вается введением эффективной ширины полосы А/. На рис. 2.58показана зависимость (М/С) 2 от частоты. Если по осям исполь зуется линейный масштаб, то площадь под сплошной кривой пропорциональна мощности, проходящей через систему гидро фон—фильтр измерителя. Для нахождения этой площади приме-' няют планиметр или другой графический метод, а затем нахо дят характеристику идеального фильтра, показанную пункти ром, ограничивающим равновеликую площадь. За высоту ха рактеристики пропускания идеального фильтра принимается
Рис. 2.58. Характеристики реального (сплошная кривая) и эквивалентного идеального (пунктирная) фильтров.
значение (М/С) 2 на центральной частоте /о- Идеальная, или эф фективная, ширина полосы равна тогда Af, как показано на рисунке. Выбор центральной частоты f0 довольно произволен. Можно выбирать частоту, на которой (М/С) 2 имеет максимум. Тогда, поскольку произведение (М/С) 2 А/ фиксировано, lOlgAf уменьшается на ту же величину, на какую увеличивается 2 0 lg М/С, и (2.110) не меняется. При этом М/С, ро и А/ в (2.110) из вестны, и PSL определяется выходным напряжением е0 измери теля.
2.16.2. Уровень звукового давления, эквивалентного шуму
Звуковое давление, эквивалентное шуму, — это среднеквад ратичное давление, создаваемое нормально падающей синусои дальной волной, создающей то же самое зыходное напряжение холостого хода, что и собственный электрический шум гидро фона, который измеряется как среднеквадратичное напряжение в полосе 1 Гц. Приравнивая эти два напряжения и разрешая по лученное соотношение относительно р, получаем
P = e nJM, |
(2.111) |
где М — чувствительность гидрофона в свободном поле, а еп — шумовое напряжение. Теоретически еп измеряется почти таким же образом, как напряжение ее электроакустического генератора,.
124 |
Гл. II. Методы и теория |
|
замещающего гидрофон (см. разд. 2.16.1). Из (2.108) |
|
|
|
en= e g= e 0\K. |
(2.112) |
Приведение к полосе 1 Гд дает |
|
|
|
20 lg е„=20 lg е0 —20 lg К —10 lg Д/. |
(2.113) |
Обычно собственный шум электроакустического генератора, не имеющего предусилителя, слишком мал, чтобы его можно было измерить. Это значит, что электрический шум в измери тельной системе или в среде больше, чем шум генератора. Тогда собственный шум вычисляется в предположении, что он имеет тепловое происхождение; это условие записывается в виде
е2„/Д/=4£77?, |
(2.114) |
где k —-постоянная Больцмана, равная |
1,38 • 1 0 ~ 2 3 Дж/К, Т — |
абсолютная температура в градусах Кельвина, R — эквивалент ное последовательное сопротивление преобразователя. Сопро тивление R может зависеть от акустической нагрузки, давления, температуры и т. д. и, следовательно, должно измеряться при определенных окружающих условиях. При температуре 20° С формула (2.114) принимает вид
Объединение (2.111) и (2.115) дает
201g/? = -197,9 + 101g^ + 101gA /-201gA f. (2.116)
Если требуется измерить уровень звукового давления, экви валентного шуму, для гидрофона, включая предусилитель или другие связанные с ним цепи, то применяется методика, описан ная в разд. 2.16.1. При этом предусилитель рассматривается как единое целое с гидрофоном (рис. 2.57), а известное напряже ние ei вводится между предусилителем и остальной частью из мерительной системы. Этот вид измерений встречается с рядом практических трудностей, если и выход предусилителя и вход измерителя имеют общее заземление. Этот случай обсуждается более подробно в разд. 3.6.
,Литература |
|
|
|
|
1. |
Henriquez Т. |
A., Diffraction constants of acoustic transducers, |
J.'Acoust. |
|
2. |
Soc. Am., 36, |
267 (1964). |
Soc. Am., |
|
Bobber |
R. J., Diffraction constants of transducers, J. Acoust. |
|||
|
37, 591 |
(1965). |
|
|
3.Schottky W„ Das Gesetz des Tiefempfangs in der Akustik und Elektroakustik, Z. f. Physik, 36, 689 (1926).
4.Ballantine S., Reciprocity in electromagnetic, mechanical, acoustical and
interconnected systems, Proc. Inst. Rad. Engr., 17, 929 (1929).
,5. MacLean W. R., Absolute measurement of sound without a primary stan-' dard, J. Acoust. Soc. Am., 12, 140 (1940).
Литература |
125 |
6.Cook R. К., Absolute pressure calibration of microphones, J. Acoust Soc Am., 12, 415 (1941).
7.Summary Technical Report of NDRC, Division 6, Vol. 10, Sonar Calibra tion Methods, 1946.
8.McMillan E. M., Violation of the reciprocity theorem in linear passive elec tromechanical systems, J. Acoust. Soc. Am., 18, 344 (1946).
9.Bobber R. J., Darner C. L., A linear passive nonreciprocal transducer, J. Acoust. Soc. Am., 26, 98 (1954).
10. Bobber R. J., A general reciprocity parameter, J. Acoust. Soc. Am 39 680 (1966).
11. Foldy L. L., Primakojf H., General theory of passive linear electroacou
stic transducers and the electroacoustic reciprocity theorem, I, J. Acoust Soc Am., 17, 109 (1945); and Part II, 19, 50 (1947).
12. Carstensen E. L., Self-reciprtfcity calibration of electroacoustic transducers,
J.Acoust. Soc. Am., 19, 961 (1947).
13.Sabin G. A., Transducer calibration by impedance measurements, J. Acoust. Soc. Am., 28, 705 (1956).
14. Patterson R. B., Using the ocean surface as a reflector for |
a self-recipro |
city calibration of a transducer, J. Acoust. Soc. Am., 42, 653 |
(1967). |
15.Bobber R. J., Sabin G. A., Cylindrical wave reciprocity parameter, J. Aco ust. Soc. Am. 32, 923(A) (1960); 33, 446 (1961).
16.Simmons B. D., Crick R. J., Plane wave reciprocity parameter and its
application to calibration of electroacoustic transducers at close distances,
J.Acoust. Soc. Am., 21, 633 (1949).
17.Beatty L. G., Reciprocity calibration in a tube with active-impedance ter mination, 4- Acoust. Soc. Am., 39, 40 (1966).
18.Beatty L. G., Bobber R. J., Phillips D. L., Sonar calibration in a highpressure tube, J. Acoust. Soc. Am., 39, 48 (1966).
19.Sims С. C., Henriquez T. A., Reciprocity calibration of a standard hydro phone at 16,000 psi, J. Acoust. Soc. Am., 36, 1704 (1964).
20.McMahon G. A., Coupler-reciprocity system for hydrophone calibration at high pressure, J. Acoust. Soc. Am., 36, 2311 (1964).
21.Голенков A. H.,' Градуировка инфразвуковых гидрофонов методом вза имности в малой камере с водой. Измерительная техника, № 8, 637 (1959).
22. |
Diestel Н. G., Reciprocity |
calibration of microphones in a |
diffuse sound |
23. |
field, J. Acoust. Soc. Am., |
33, 514 (1961). |
|
Trott W. J., Lide E. N., Two-projector null method for calibration of hydro |
|||
|
phones at low audio and |
infrasonic frequencies, J. Acoust. |
Soc. Am., 27, |
24. |
951 (1955). |
transmitter as a uniformly sensitive instrument |
|
Wente E. C., A condenser |
|||
|
for the absolute measurement of sound intensity, Phys. Rev., |
10, 39 (1917). |
|
25.Wente E. C., The Thermophone, Phys. Rev., 19, 333 (1922).
26.Kaye G. W. C. Acoustical work of the National Physical Laboratory, J.
27. |
Acoust. Soc. Am., 7, 167 (1936). |
|
Glover R., Baumzweiger |
B., A moving coil pistonphone for measurement |
|
28. |
of sound field pressure, J. |
Acoust. Soc. Am., 10, 200 (1939). |
Beranek L. L., Acoustic |
Measurements, John Wiley & Sons, New York, |
|
1949, Sec. 4.4. (Русский перевод: Л. Л. Беранек, Акустические измерения, ИЛ, М„ 1952.)
29.Sims С. С., Bobber R. J., Pressure phone for hydrophone calibrations, J. Acoust. Soc. Am., 31, 1315 (1959).
30.Sims С. C., Hydrophone calibrator, U. S. Navy Underwater Sound Refe
rence Lab. Res. Rep. № 60, 12 April 1962 (AD .279-904); см. также Rapid calibrator for small hydrophones, J. Acoust. Soc. Am., 36, 401 (1964).
31. Schloss F., Strasberg M., Hydrophone calibration in a vibrating column of liquid, J. Acoust. Soc. Am., 34, 958 (1962).
