ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 173
Скачиваний: 0
3.11. Исключение помех |
187 |
сток диаграммы направленности преобразователя должен быть направлен от границы. Однако оптимальное расположение не обязательно должно быть одинаковым при градуировке преоб разователей и при измерении диаграммы направленности, когда исследуемый гидрофон вращается. Это иллюстрирует рис. 3.51, где показано измерение характеристик направленного излуча теля с помощью ненаправленного гидрофона.
в |
© |
Лажный лепест ок
Рис. 3.51. Различное расположение направленного излучателя и ненаправ ленного гидрофона относительно отражающей границы. Случай (а) предпоч тительнее (б) при измерении чувствительности излучателя; (<3) и (е) пред почтительнее, чем (в) и (г), при измерении диаграмм направленности.
Схема расположения преобразователей на рис. 3.51, а опти мальна для градуировки гидрофона, поскольку нулевая чувстви тельность при 180°, или сзади, у излучателя позволяет избежать отражений от границы, тогда как при расположении, показан ном на рис. 3.51, б, на гидрофон попадают и прямой и отражен ный сигналы. Если расположить преобразователи, как на рис. 3.51, а, при измерении диаграммы направленности, то, как видно из рис. 3.51, в и г , уровень диаграммы при 0° не искажен отражениями, но при 180° сигнал целиком состоит из отраже ний, что приводит к появлению ложного лепестка на 180°. Если преобразователи поменять местами, то уровень при 0° (рис. 3.51,6)
188 |
Гл. III. Основы измерений в свободном поле |
подвергается |
влиянию отражений, а при 180° (рис. 3.51, е) — |
нет. Поэтому выбор оптимального расположения преобразова телей сводится к оценке ошибки в случаях (а) и (<3). Заметим, что интерферирующий отраженный сигнал в обоих случаях оди
наков, а прямой сигнал равен нулю в случае |
(а) и максимален |
||
в |
случае |
(<?). Значит, помеха окажет гораздо |
большее влияние |
в |
случае |
(а), чем в случае (д), что делает |
расположение ((3) |
предпочтительным.
Проиллюстрируем это на примере. Предположим, отражен
ный сигнал проходит |
в 1 0 |
раз больший путь, |
чем прямой. |
||
Отражающая поверкность |
Тогда ложный |
боковой |
лепесток |
при |
|
jgQO |
в СЛучае |
окажется на 20 |
дБ |
||
меньше основного лепестка, т. е. отно шение фронт/тыл будет равно 20 дБ
вместо |
бесконечности. |
В |
случае |
(д) |
||
основной |
лепесток |
при |
0 ° |
будет опре |
||
делен |
с ошибкой |
2 0 1 g ( l ± 0 ,l), |
т. е. |
|||
около |
± |
1 дБ, что является относи |
||||
тельно |
|
малой ошибкой. |
Поскольку |
|||
сшибки измерения диаграммы направ ленности оцениваются в относительной разности уровней при различных уг лах, то в данном примере даже эта ма лая ошибка исключается, так как, ка кой бы ни была ошибка в случае (<3), она будет одинаковой для всех углов, и, следовательно, форма диаграммы не исказится.
Специальный выбор расположения преобразователей помо гает устранить влияние отражений от вертикальных границ, но мало помогает уменьшению отражений от дна и поверхности. Случайно может оказаться, что отражение попадает на гидро фон в направлении нулевой чувствительности, как показано на рис. 3.52, и не влияет на его выходной сигнал. Однако, по скольку направление нулевой чувствительности меняется с ча стотой, эта возможность ограничена одной частотой или узкой полосой частот.
Пока речь идет о пассивных помехах типа отражений, не важно, служит преобразователь приемником или излучателем. Принцип взаимности применим как к прямым сигналам, так и к отражениям. Однако если где-то имеется активный источник помех, то система перестает быть пассивной и принцип взаим ности не выполняется. Возьмем, например, случай, показанный на рис. 3.53, где имеются один ненаправленный преобразова тель и один остронаправленный, у которого чувствительность при 180° равна нулю. Тогда, если к источнику помехи обращена
3.12. Размеры и оборудование бассейнов |
189 |
задняя сторона направленного преобразователя, служащего гид рофоном, то помеха не окажет никакого влияния, т. е. гидрофон будет воспринимать только сигнал от излучателя. Если направ ление сигнала изменить на обратное и остронаправленный пре образователь использовать в качестве излучателя, то ненаправ ленный гидрофон будет принимать звук и от излучателя, и от источника помех.
Прямой сигнал, показанный пунктирной кривой на рис. 3.41, равен среднему значению из максимального и минимального
|
Ненаправл. |
Гидр. |
|
изл. |
1 |
а |
®------ |
|
|
|
Активный |
|
|
источник помех |
Рис. 3.53. Эффект изменения направления, по которому приходит сигнал. Сигнал помехи не воспринимается гидрофоном в положении (а), но прини мается в положении (б).
сигналов. Поэтому метод, в котором измеряется среднее значе ние сигнала в полосе частот, позволил бы эффективно устра нить влияние отражений. Возможны два таких метода. В одном используется полоса шума, центрированная на частоте измере ния. В другом — воющий тон или частотно-модулированный си гнал. Ни один из этих методов не применяется широко в гид роакустических измерениях, так как частотное разрешение чув ствительности, получаемое при усреднении, обычно слишком мало.
3.12.РАЗМЕРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ БАССЕЙНОВ
Вбассейне для подводных электроакустических измерений можно удобно расположить преобразователи и контролировать условия измерений. В этом разделе понятие «бассейн» будет относиться к тем бассейнам, в которых можно проводить гра дуировку в условиях свободного поля. За исключением чрез вычайно больших бассейнов типа TRANSDEC (рис. 3.7), каче ство бассейна зависит от того, в какой степени можно устранить влияние отражений или помехи от отражений. Если отражения уничтожаются или ослабляются поглотителями на границах бассейна, то последний называют заглушенным. На рис. 3.54 приведена фотография типичного закрытого бассейна.
Большинство таких бассейнов не замкнуты сверку и подобны естественным водоемам, но меньше их по размерам. Исключе
3.12. Размеры и оборудование бассейнов |
191 |
по себе является хорошим поглотителем, и деревянные бассейны используются в различных областях техники, так как они де шевле других. Наибольшую популярность приобрели бассейны из кедра, красного дерева и кипариса.
Основным вопросом при конструировании и использовании бассейна является его частотный диапазон. Необходимый раз мер бассейна, грубо говоря, пропорционален длине волны аку стического сигнала. Естественно, что основное внимание уде ляется наибольшим длинам волн, ограничивающим частотный
Рис. 3.55. Разрез заглушенного бассейна, рассчитанного на работу при гид ростатических давлениях до 70 • 105 Па и принадлежащего Лаборатории гид роакустических измерений ВМС, Орландо (штат Флорида). 1 дюйм=2,54 см.
диапазон снизу. Не существует простого ответа на вопрос: ка кого размера должен быть бассейн, чтобы его можно было ис пользовать на частоте 1 кГц? Размер бассейна зависит от дли тельности импульсов, частоты их повторения и расстояния излу чатель— гидрофон. Эти величины в свою очередь зависят от типа проводимых измерений, их точности, размера преобразо вателя и его добротности Q, частоты, чувствительности, типа измерителя напряжения и снижения отражений на границах водоема.
Если используется импульсный режим работы, то форма бас сейна не имеет значения. Ограничивающим фактором является расстояние до отражающей поверхности, ближайшей к пути рас пространения прямого акустического сигнала от излучателя до гидрофона.
Чтобы получить некоторые простые критерии для выбора размеров бассейна, можно сделать ряд упрощающих, но реали стичных допущений. Первое из них (рис. 3.56) состоит в том,
192 |
Гл. III. Основы измерений в свободном поле |
что ближайшая отражающая граница расположена или парал лельно акустическому пути прямого сигнала (боковая стенка, дно, поверхность), или перпендикулярно ему (торцевые стены).
Согласно второму допущению, поглощение на границе слу жит в основном для быстрого затухания реверберации в про межутке между импульсами. Многие неотражающие покрытия, особенно на низких частотах, эффективны только частично. От ражения ослабляются, но не устраняются. Импульсная мето-
Р и с. 3.56. Пути |
прямого |
и отраженного сигналов в измерительном бассейне; |
d — |
требуемое |
расстояние между преобразователями. |
дика работы (разд. 3.8) основана на том, что разность путей распространения первого прямого и первого отраженного им пульсов больше, чем длина импульса. Это значит, что гидрофон должен успеть принять установившуюся часть прямого им пульса до того, как передний фронт отраженного импульса до стигнет гидрофона. Минимальная разность путей составляет тогда т секунд или ст метров, где с — скорость звука в воде в м/с. Минимальную длину L и ширину (или глубину) W бас сейна тогда можно вычислить по рис. 3.56;
L = d A r C’z, |
(3.26) |
W = [(flf+c-c)2 - d2\4' = (2dcT + c2T2)v\ |
(3.27) |
Эти основные уравнения можно связать с параметрами преоб разователя, используя дальнейшие допущения.
Чтобы импульс достиг установившегося состояния, требуется Q периодов, где Q характеризует весь тракт излучения, а не только излучатель. Поэтому можно предполагать, что мини мальная требуемая длина импульса составляет Q периодов, или QK метров, в тех случаях, когда размеры диафрагмы преобра
3.12. Размеры и оборудование бассейнов |
193 |
зователя бесконечно малы в направлении |
распространения |
звука. Когда это не так, длину импульса необходимо увеличить, чтобы покрыть весь преобразователь эффективным установив шимся сигналом.
При выборе длины импульса равной Q периодам возникает вопрос о точности измерений. На рис. 3.57 показано асимптоти ческое приближение к установившемуся состоянию. В точке, где n/Q = l, амплитуда еще на 0,4 дБ, или на 4,5%, занижена.
Рис. 3.57. Амплитуда звукового давления от резонансного излучателя, воз буждаемого ступенчатым электрическим импульсом. Кривые построены по
уравнению /?п/р0= 1 — е — im / Q , где р0— установившееся значение давления (п —>оо), рп — давление после п периодов, Q — добротность преобразователя. Пунктиром показан спадающий переходный процесс. Заштрихованная область соответствует форме импульса при n = Q.
Лучшую точность можно получить при использовании более длинных импульсов, но за счет увеличения размеров бассейна, что видно из уравнений (3.26) и (3.27).
При длине импульса, равной Q периодам, предполагается, что система измерения напряжения сможет работать с пилооб разным импульсом, использованным на рис. 3.57.
Следующее допущение заключается в том, что один из пре
образователей считается малым |
по сравнению с |
длиной |
волны, — например, используется |
точечный гидрофон. |
Другой |
преобразователь может быть большим, но его максимальный размер не должен превышать пяти длин волн. Теоретические диаграммы направленности поршневых преобразователей разме ром в пять длин волн показаны на рис. 3.58. Ширина основного
13 Заказ № 730
Рис. 3.58. Теоретические диаграммы направленности для поршня диаметром пять длин волн (слева) и для линии длиной пять длин волн (справа).
Рис. 3.59. Для снятия диаграммы направленности преобразователя диамет ром или шириной D, разориентированного на 30°, нужен импульс с длиной установившегося участка £)/2.
3.12. Размеры и оборудование бассейнов |
195 |
лепестка по уровню —10 дБ меньше 20°, |
т. е. такая же |
узкая, как и у большинства преобразователей. По критерию минимального расстояния, например по неравенству (3.15), ли нейные размеры бассейна приблизительно пропорциональны квадрату размера преобразователя. Поэтому важно выбрать
Рис. 3.60. Длина (сплошные прямые) и ширина или глубина (пунктирные прямые) бассейна, требуемые для измерения диаграммы направленности пре образователя с максимальным размером в пять длин волн.
разумный предел. Когда нужно измерить характеристики пре образователей больших размеров с более острой диаграммой направленности, нужно иметь специальные критерии.
Последнее предположение состоит в том, что максимальное допустимое расстояние d выбирается по неравенству (3.17). Объединяя это неравенство с наибольшим размером преобра зователя £> = 5А, получим для d на рис. 3.56
d= 5D = 25A . |
(3.28) |
Согласно неравенству (3.17), установившаяся часть самого длинного импульса должна быть равна D/2 м, или 2,5 длины
13*
196 |
Гл. III. Основы измерений в свободном поле |
волны. На рис. .3.59 иллюстрируются требования к длине им пульса в соответствии с неравенством (3.17) или при измере нии диаграммы направленности преобразователя в секторе 60° с центром на акустической оси. Для этого случая с максималь ной длиной импульса и D = 5K имеем
cx= Q X + 2 -^ 7 = (q + 2 4 - ) x- |
(3.29)- |
Объединяя теперь уравнения (3.28) и (3.29) с уравнениями
(3.26) и (3.27), получаем
L = (27,5+Q)l, |
(3.30) |
U 7= [50(Q + 2 4 -) + (Q + 2 - ^ ) 2]’^ . |
(3.31) |
Уравнения (3.30) и (3.31) представлены графически на рис. 3.60, где длина волны переведена в частоту.
3.13. АКУСТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫЙ СОСУД ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Замкнутые бассейны, достаточно большие, чтобы в них можно было проводить измерения в условиях свободного поля, и достаточно прочные, чтобы выдерживать гидростатические давления в несколько десятков тысяч паскалей, очень дороги. Альтернативным решением в ряде случаев могут служить не большие, акустически прозрачные, замкнутые сосуды высокого давления. Если исследуемый преобразователь поместить в та кой сосуд, а последний целиком погрузить в больший объем воды, то возможность обычных измерений в условиях свобод ного поля будет определяться только размерами этого большего объема воды. Переменные гидростатическое давление и тем пература, создаваемые в сосуде, действуют только на исследу емый преобразователь. Другие преобразователи находятся вне сосуда, как показано на рис. 3.61.
Используются сосуды из стекловолокна [19, 20]. Срок их жизни, выраженный в циклах изменения давления, меньше, чем у равновеликого стального сосуда, но это компенсируется де шевизной сосуда из стекловолокна.
Изготовляются такие сосуды путем намотки стеклянных во локон на оправку. Намотка покрывается смолой, которая обес печивает связь между волокнами. Резиновый внутренний слой отделяет полость сосуда от воды в открытом водоеме. При на мотке волокон на оправку получаются отверстия с двух концов. Одно отверстие делается достаточно большим и служит для введения преобразователя, другое — маленьким и служит для
