ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 124
Скачиваний: 0
1.5. Измеряемые параметры |
17 |
Чувствительность в режиме излучения по току (или напря жению), используемая для оценки источника звука, представ ляет собой отношение звукового давления, приведенного к рас стоянию 1 м в определенном направлении от эффективного акустического центра преобразователя, к току возбуждения, протекающему через входные клеммы, или к приложенному
кэтим клеммам напряжению.
Вгидроакустике чувствительности преобразователей обычно измеряются и отсчитываются в децибелах. В таких случаях
уровни чувствительности с технической точки зрения являются правильными терминами; однако децибелы и уровни исполь зуются настолько широко, что для краткости слово «уровень» часто опускают без риска внести путаницу или какую-либо не определенность.
В том случае, когда относительная чувствительность изме ряется как функция направления или ориентации, мы называем ее диаграммой направленности чувствительности, или, проще, диаграммой направленности. Формально это понятие опреде ляется таким образом.
Диаграмма направленности преобразователя, используемого для излучения или приема звука, представляет собой график (обычно в полярных координатах) чувствительности преобразо вателя в функции направления передаваемых или падающих звуковых волн в определенной плоскости и на определенной частоте.
Полная, или трехмерная, диаграмма направленности обычно описывается с помощью набора диаграмм направленности в раз личных плоскостях, проходящих через акустическую ось пре образователя.
Когда измерения чувствительности преобразователя произ водятся в зависимости от уровня сигнала, мы приходим к оценке
линейности или динамического диапазона. Эти термины описы ваются и определяются в разд. 2.15.
Электрический импеданс является квазиэлектроакустическим параметром, поскольку зависит от акустических характеристик среды, в которую преобразователь излучает звуковую энергию, и часто весьма чувствителен к их изменениям. При этом изме ряют отношение электрических величин (напряжение/ток), как и в большинстве других электроакустических измерений, но в отличие от них существенное значение здесь имеет разность фаз между двумя сигналами.
В электроакустических измерениях, за исключением измере ний импеданса, фаза в абсолютном смысле имеет ограниченное применение, поскольку она зависит от произвольного выбора точки измерения. Длина волны акустического, сигнала в воде часто меньше размеров преобразователя, и выбор точки
2 Заказ № 730 |
) ......... |
18 Гл. I. Введение
измерения акустического сигнала должен оказывать большое влияние на измерение фазы.
Коэффициент полезного действия является расчетным пара метром, так как непосредственные измерения электрической и акустической мощности невозможны. Ряд других параметров типа коэффициента концентрации и уровня давления, эквива лентного шуму, также рассчитывается по измеренным чувстви тельности и импедансу.
Другими переменными параметрами, используемыми в этих измерениях, являются факторы окружающей среды (гидроста тическое давление и температура), вид сигнала (непрерывная волна, пульсирующий, шумовой, импульсный и т. д.), граничные условия среды (свободное поле, реверберация, экранированный
или неэкранированный |
преобразователь, с обтекателем или без |
|
него и т. д.). Сюда же, |
конечно, относятся и различные внутрен |
|
ние изменения или регулировки, |
которые могут производиться |
|
у некоторых преобразователей |
(последовательное или парал |
|
лельное соединение элементов, с трансформатором или без него
ит. д.).
Вцелом имеются три категории электроакустических пара метров преобразователей: 1) чувствительность, которая изме ряется непосредственно в функции частоты, уровня или вида
сигнала, параметров окружающей среды, ориентации и т. д.; 2) импеданс; 3) расчетные параметры, определяемые по данным измерений (1) и (2).
1.6. ДЕЦИБЕЛЫ
Система децибел широко применяется в подводных электро акустических измерениях. Это объясняется рядом причин. Они уходят своими корнями в традицию и историю акустики, в част ности в область физиологии. Ухо человека приблизительно оди наково ощущает разницу в громкости звука как между 1 и 10 единицами, так и между 10 и 100 единицами. Это означает, что ухо является логарифмическим детектором. Следовательно, использование логарифмической шкалы или измерительной си стемы, подобной шкале децибел, весьма целесообразно. Слухо вое восприятие человека и акустические явления вообще харак теризуются чрезвычайно широкими пределами изменения ампли туды сигнала ■— порядка 1012. По этой причине логарифмическая шкала также является удобным масштабом измерений. Нако нец, в подводных электроакустических измерениях и во многих других областях акустики и техники связи больший интерес представляют отношения сигналов, чем их абсолютные значе ния. Децибелы в этом случае являются удобной единицей из мерения отношений.
1.6. Децибелы |
19 |
Классическое понятие децибел определяется соотношением |
|
типа |
|
n = \Q \g (PijPo), |
(1.1) |
где Р ,/Р 0 — отношение мощностей, а п — число децибел. Параметры, эквивалентные мощности (например, акустиче
ская интенсивность / или мощность на единицу площади), опи сываются аналогичным выражением
я = 10 lg (/,//„). |
(1.2) |
Удобство системы децибел привело к ее использованию для выражения параметров, пропорциональных корню квадратному из мощности: напряжения, силы тока, давления, колебательной скорости и т. д. Такое использование справедливо и согласуется с классическим понятием децибела, если эти параметры можно связать с мощностью. Эта зависимость обычно включает в себя импеданс, иногда выраженный в явном виде, а в других слу чаях только подразумеваемый. В электроакустике система де цибел применяется еще шире и используется для установления соотношений входных и выходных параметров, подобных чувст вительности преобразователя. Тогда фактически используется логарифм отношения отношений и связь с мощностью и импе дансом становится довольно слабой.
Однако рассмотрим сначала применение децибел для отношения двух мощностей Рх и Р0, определяемых соотно шением Р = е2/Р и разделенных в пространстве или во времени:
П = 10 lg (Л/Л>) = |
101g ( 4 ^ 1 |
• |
(! -3) |
|
У eojKОJ |
|
|
Если P \= R q, т о |
|
|
|
n= 2O lg(e1fe0)i |
|
(1.4) |
|
Выражение (1.4) определяет |
отношение |
двух |
напряжений |
в децибелах, когда они измеряются на общем импедансе. От ношение токов, звуковых давлений и колебательных скоростей частиц также можно выразить аналогичным образом при усло вии общего импеданса.
В децибелах можно выражать отношение напряжений в двух точках одной и той же эффективно бесконечной передающей линии, звукового давления в свободном поле, измеренного в двух точках на различных расстояниях от одного и того же излучателя, и токов в одной и той же цепи в два различных момента времени.
2*
20 Гл. I. Введение
Вторым важным случаем применения децибел является их использование для выражения амплитуды (обычно среднеквад ратичной амплитуды) некоторого параметра в конкретной точке пространства и в конкретный момент времени относительно не которого опорного значения амплитуды. Например, если в (1.4) е0 положить равным определенному опорному значению, то щ будет измерено относительно е0. Такое использование шкалы децибел конкретизируется словом «уровень», например уровень напряжения или уровень давления. При этом понимается, что в\ и е0 измеряются на том же самом импедансе. Если е0=1В,
уровень напряжения щ |
в (1.4) |
по определению выражается |
в дБ • В и читается как |
«децибел |
относительно одного вольта». |
Аналогично этому звуковое давление р определяется в еди
ницах уровня звукового давления SPL (sound |
pressure level): |
5 PL = 2 0 \g{px!pQ), |
(1.5) |
где po — опорное давление. |
|
Общепринятого стандартного опорного давления не сущест вует. В воздушной акустике используется давление, равное 0,0002 дин/см2; оно же использовано в акустике подводного шума. Со второй мировой войны для характеристики работы гидроакустических станций и в подводных электроакустиче ских измерениях (кроме измерений шума) в качестве опорного использовалось давление, равное 0,1 Па (1 дин/см2). В 1968 г. для акустики жидких сред в качестве американского стандарт ного опорного уровня давления был выбран 1 мкН/м2 (1 мкПа). Преимущество его состоит в том, что он является сте
пенью |
10, достаточно мал |
по величине (поэтому отрицательные |
уровни |
давления фактически исключаются), легко согласуется |
|
с системой единиц МКС |
и со стандартной системой приставок |
|
(милли-, микро- и т. д.). Различные уровни опорных давлений показаны на рис. 1.1.
Система децибел используется также для определения отно шений выходного и входного сигналов четырехполюсников и преобразователей. В этом случае она утрачивает большинство связей е отношениями мощностей, но по-прежнему должна со гласоваться с уравнениями (1.4) и (1.5). Усилитель напряжения,
например, может иметь коэффициент усиления, равный |
10, |
что |
||
означает |
|
|
|
|
20 lg ( - ВЫХ0ДН0е п р я ж е н и е |
\ |
2Q1 1Q==2Q Б< |
(L 6 ) |
|
& \ входное напряжение |
/ |
ь |
v |
' |
Напряжения измеряются на разных импедансах, однако ус ловия импеданса на входе и выходе усилителя остаются посто янными. Конечно, входное напряжение измеряется на входном импедансе усилителя, а выходное — на конкретном импедансе нагрузки.
1.6. Децибелы |
21 |
Аналогично этому чувствительность М по напряжению в сво бодном поле определяется соотношением
201gM =20 lg |
выходное напряжение холостого хода |
(1.7) |
||
давление плоской волны в свободном поле |
||||
|
|
|||
|
—|--- <*• |
1 И/мг(1Па) |
|
|
|
20дБ |
|
|
|
|
----■;-----»■ |
I d i m / C M Z |
|
|
1206Ь
ЮПВБ
------------------------ 0,0002 дин/см г или
20 мкПа
2вдБ
-------------------------------------------------— *- / мкПа
Рис. 1.1. Уровни опорного давления.
Здесь опять-таки нет общего импеданса, но условия импе данса являются постоянными. Напряжение измеряется при разомкнутой цепи или, по существу, при бесконечно большом импедансе, а давление измеряется в плоской волне с волновым сопротивлением рс, где р — плотность воды, а с — скорость звука. Применяемые в (1.6) единицы напряжения значения не имеют, если входные и выходные величины измеряются в одних и тех же единицах. В (1.7) напряжение и давление не имеют
