Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

отражателями, и их диафрагмы должны быть параллельны между собой с точностью до долей длины волны. Конечно, стоя­ чие волны обычно возникают в верхней части звукового и

Рис. 3.43. Кривые для распознавания помех. 1 — наводка: Af = c/d — частот­

в нижней части ультразвукового диапазонов частот. Сигнал на­ водки обычно не зависит от величины амплитуды акустического сигнала, поэтому ее присутствие более заметно при малом аку­ стическом сигнале. Например, при градуировке резонансного гидрофона наводка может быть заметна ниже и выше резо­ нанса, но не на самом резонансе, где акустический сигнал велик и отношение амплитуды наводки к амплитуде сигнала мало.

Описанные характеристики помех помогают распознавать их и исключать их влияние.

В мелких озерах имеются две отражающие границы: дно и поверхность. В этом случае интерференция особенно ярко вы­ ражена, и обычно она определяет низшую рабочую частоту градуировки. На рис. 3.44 приведен пример экспериментальных результатов. Сигнал помехи в действительности является сум­ мой многократных отражений от дна и поверхности [3]. Здесь по-прежнему имеется заметный интервал периодичности А/ по частоте. На рис. 3.44 Д/ = 200 Гц. Амплитуда результирующего

Рис. 3.44. Выходное напряжение гидрофона в случае, когда излучатель и гидрофон установлены на равных расстояниях от поверхности воды и днаг покрытого пузырьками. Расстояние между преобразователями равно 7в глу­ бины водоема. Чувствительности излучателя и гидрофона постоянны.

сигнала теперь меняется не синусоидально, а представляет со­ бой последовательность зубцов и пиков. Для выделения прямого сигнала на рис. 3.44 трудно применять метод, иллюстрируемый рис. 6.3.

Четвертый тип помехи встречается только в гидроакустике. Это резонирующие пузырьки газа. Под пузырьками газа здесь понимаются не только сферические пузырьки, свободно плаваю­ щие в воде, но и небольшие количества газа, содержащиеся в отверстиях, трещинах, прорезях головок винтов и т. д. Пузы­ рек, возбуждаемый на его резонансной частоте, сильно колеб­ лется, переизлучая звуковые волны и оказывая заметное влияние на площади, примерно в 2 0 0 0 0 раз большей его попереч­ ного сечения [16]. Резонансная частота сферического воздуш­ ного пузырька пропорциональна квадратному корню из абсо­ лютного давления и обратно пропорциональна статическому радиусу [16]. В качестве удобного ориентира укажем, что пузырек

182 Гл. III. Основы измерений в свободном поле

диаметром 1 см, расположенный вблизи поверхности, при ат­ мосферном давлении имеет резонанс на частоте 667 Гц [16]. Зная эту частоту и пользуясь указанными выше зависимостями, можно вычислить резонансную частоту более мелких пузырь­ ков при разных давлениях. Пузырьки обычно малы в сравне­ нии с длиной волны, и, следовательно, их форма не играет роли. Поэтому можно полагать, что резонансная частота пузырьков других форм примерно равна резонансной частоте сферического пузырька такого же объема.

Маленькие газовые пузырьки могут быть цепкими и устой­ чивыми. Поэтому необходимо внимательно исследовать и про­ верять аномалии на записанных экспериментальных кривых

Рис. 3.45. Типичный эффект газового пузыря в воде вблизи гидрофона (по­ казан пунктирной кривой).

(типа той, что показана на рис. 3.45), для того чтобы убедиться, является ли эта кривая истинной характеристикой преобразо­ вателя или аномалия на ней вызвана пузырьком в среде. По­ скольку резонансная частота пузырька зависит от статического давления, то при изменении глубины частота аномалии сдви­ нется. Однако такую проверку нельзя считать однозначной, по­ скольку пузырек может находиться внутри чувствительного элемента преобразователя, в частности в среде, которая акусти­ чески связывает пьезокристалл с водой. Важно иметь представ­ ление о том, как воздушные пузырьки влияют на результаты гидроакустических измерений.

^Рассмотрим пузырек с малым радиусом по сравнению с дли­ ной звуковой волны в воде. Пузырек находится в свободном звуковом поле с давлением pf. Акустический импеданс самого пузырька состоит из гибкости С заключенного в нем газа и со­ противления R, возникающего из-за потерь при сжатиях и рас­ ширениях газа. Масса движущегося газа пренебрежимо мала. Эквивалентную схему для пузырька в воде, возбуждаемого звуковым давлением, можно составить на основе теоремы Тевенина. Давление, действующее на заторможенный пузырек (или давление холостого хода), можно определить, полагая им-

педанс пузырька близким к бесконечности. Если пузырек мал, это давление равно давлению в свободном поле. Затем выклю­ чаем генератор и оцениваем импеданс на зажимах генера­ тора. Это значит, что мы смотрим на генератор со стороны на­ грузки, или, говоря языком акустики, смотрим в среду из

Рис. 3.46. Эквивалентная схема газового пузырька в воде, возбуждаемого давлением свободного поля pf. т — присоединенная масса воды; R — сопро­ тивление газа в пузырьке и сопротивление излучения; С — гибкость газа в пу­

Схема на рис. 3.46 является обычным последовательным ре­ зонансным контуром. При постоянном pf относительная ампли­ туда и фаза и пропорциональны адмитансу пузырька, показан­ ному на круговой диаграмме на рис. 3.47. Предположим, пузырек и гидрофон расположены близко друг к другу, так что расстояние между ними удовлетворяет условию г<СА,. Пусть пу­ зырек находится сбоку от гидрофона, так что давление свободного поля в месте их расположения одинаково по амплитуде и фазе. Это условие соответствует прилипанию пузырька к чувствитель­ ному элементу гидрофона. Тогда полное давление рн в месте расположения гидрофона и вблизи пузырька равно сумме pf и давления рТ, излучаемого пульсирующим пузырьком, как по­ казано на рис. 3.48.

Пузырек ведет себя как точечный сферический излучатель, и давление рг можно вычислить по одной из известных формул,

режает на 90° скорость, направленную наружу. Поскольку за положительное направление скорости мы выбрали направление

внутрь, то рг опережает отрицательную скорость на 90° или по­ ложительную— на 270°. Следовательно, годограф рг относи­ тельно pf получается поворотом круга, показанного на рис. 3.47,

JB

Рис. 3.48. Положение, при котором давление свободного поля Pf воздействует и на гидрофон и на газовый пузырек, находящиеся друг от друга на расстоя­ нии г. Звуковое давление рТ, переизлученное или рассеянное пузырьком, также воздействует на гидрофон.

рис. 3.49. Отметим, что резонансная частота не соответствует частоте максимального или минимального давления и частоте, при которой pH= Pf.

Из рис. 3.49 видно, что отношение рн 1р} меняется с частотой, как показано на рис. 3.45. Если г увеличивается, то размер круга уменьшается и фаза рг изменится. Фазовый угол рг равен

—kr рад. Увеличение расстояния приводит к большему отрица­

186 Гл. III. Основы измерений в свободном поле

Не от всех помех можно защититься. Например, из-за гранич­ ных условий совершенно невозможно проводить измерения в ус­ ловиях свободного поля в маленьком бассейне на инфразвуковых частотах. Поэтому приходится использовать другой метод градуировки, например малую камеру.

Помехи от шума и паразитных сигналов устраняются или уменьшаются (рис. 2.51) с помощью узкополосных фильтров. Конечно, этот способ применим только к непрерывным си­

Стоячие волны устраняются путем поворота одного или обоих преобразователей на несколько градусов. При этом на­ рушается плоскопараллельность преобразователей, а чувстви­ тельность изменяется мало. Увеличение расстояния между пре­ образователями также приводит к уменьшению помех от стоя­ чих волн, но при этом могут возрасти помехи от отражений.

Для устранения пузырей нужно тщательно очищать преоб­ разователи моющим агентом, проводить температурную стаби­ лизацию преобразователей, правильно конструировать преобра­ зователи, кронштейны и другие подводные крепления, контроли­ ровать наличие морских организмов, удалять газообразующие органические вещества со дна измерительного бассейна.

Если для устранения отражений невозможно применить им­ пульсную технику, то можно принять другие меры, хотя они в большинстве случаев решают задачу лишь частично. Расстоя­ ние между преобразователями следует выбирать минимальным, а расстояние до отражающих границ — поддерживать макси­ мальным, чтобы добиться большего отношения прямого сигнала к отраженным. По возможности следует использовать направ­ ленные преобразователи, чтобы уменьшить чувствительность в направлениях действия отражений.

Отражающие границы можно покрывать звукопоглощаю­ щими материалами. Для задержки отражений и отклонения их в нужных направлениях можно применять экраны. Однако тех­ ника экранирования не так проста и целесообразна, как может показаться. Хорошие жесткие отражатели были бы очень тя­ желыми и громоздкими, хорошие «мягкие» отражатели не­ прочны и чувствительны к статическому давлению. Кроме того, на краях экранов звуковые волны рассеиваются и дифрагируют, образуя вторичные источники помех.

Необходимо выбирать выгодное расположение преобразова­ телей относительно отражающей границы. Если один преобра­ зователь нечувствителен в каком-либо направлении (например, сзади), то его нужно ориентировать так, чтобы отражающая по­ верхность находилась за преобразователем, т. е. основной лепе-