ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 163
Скачиваний: 0
222 |
Гл. IV. Методы ближнего поля |
напряжение холостого хода, а если элементы соединены парал лельно, то измеряется выходной ток короткозамкнутой цепи.
Для расчета диаграмм направленности в вертикальной плоскости по измерениям в ближнем поле, как это показано на рис. 4.2, требуется, чтобы уровни сканирования измеритель ного гидрофона располагались близко друг от друга. На рис. 4.6
Рис. 4.5. Сравнение диаграмм на правленности, измеренных (кри вые) и вычисленных (точки) для дальнего поля в горизонтальной плоскости цилиндрического преоб разователя из 12 рабочих полос по данным, полученным с линей
ным гидрофоном-зондом [7].
приведены диаграммы направленности, рассчитанные по данным 27 и 11 уровней. Расстояние между уровнями в обоих случаях было меньше 0.8А,.
0° |
О |
Рис. 4.6. Сравнение диаграмм направленности, измеренных (кривые) и вы численных (точки) для дальнего поля в вертикальной плоскости цилиндри ческого преобразователя из 6 активных полос по данным с 27 (слева) и с 11 (справа) уровней.
Чувствительность преобразователя в режиме излучения и ее абсолютные уровни, рассчитанные методом DRL, согласовались в пределах ± 1 дБ с результатами обычных измерений в даль нем поле.
Бейкер также провел измерения с плоским, дипольным, ли нейным и линейно-коническим преобразователями. Имевшиеся расхождения с измерениями в дальнем поле составляли порядка 1—2 дБ на основном лепестке и на первых боковых лепестках диаграммы направленности. Уровни последующих боковых ле пестков, которые на 20 и более децибел меньше осевого уровня, в большинстве случаев измерялись слишком неточно, чтобы их
4.3. Применение метода DRL |
223 |
можно было использовать. Однако этот недостаток присущ мно гим традиционным методам дальнего поля. Если брать точки,
отстоящие друг от друга на меньшее |
расстояние, |
и более |
|
полно сканировать поверхность интегрирования, |
то |
точность |
|
измерений можно повысить. |
|
|
|
Сканирование в методе DRL имеет дополнительное достоин |
|||
ство, позволяя выявить неработающие |
элементы |
в |
многоэле- |
Р и с. 4.7. Данные измерений амплитуды давления в ближнем поле при воз буждении 48 (сплошная кривая) и 47 (пунктирная кривая) полос цилиндри ческого преобразователя [7]. Осцилляции (пунктир) указывают местоположе ние невозбуждаемой полосы.
ментном преобразователе*). На рис. 4.7 показано влияние одной неактивной полосы в преобразователе, показанном на рис. 4.2. Аномалия давления ближнего поля обычно соответствует месту расположения неработающего элемента. Правда, это не всегда так, и интерпретировать такие эффекты надо с осторожностью. Например, две неработающие, но идентичные полосы, разделен ные одной нормальной полосой, могут создавать аномалию ближнего поля, центрированную в месте расположения нормаль ной полосы.
*> «Неработающие» элементы в многоэлементном преобразователе появ ляются из-за взаимодействия между собой элементов с различной акустической нагрузкой. — Прим. ред.
224 |
Гл. IV. Методы ближнего поля |
При использовании метода DRL для измерений в импульс ном режиме требуемый объем воды, вероятно, достигает практического минимума. Только изобретение идеального звуко поглощающего покрытия, которое позволило бы исключить по-
240 см
Рис. 4.8. Расположение цилиндрического преобразователя в тонкостенном стальном баке [7].
мехи, связанные с отражениями от границ, могло бы еще более уменьшить требуемый объем воды. На рис. 4.8 показаны раз меры водоема, который использовал Бейкер. Диаметр бассейна превосходит диаметр преобразователя менее чем в 3 раза.
4.4. Принцип решетки Тротта |
225 |
4.4. ПРИНЦИП РЕШЕТКИ ТРОТТА
Тротт [8, 9] в своих первых исследованиях методов градуи ровки в ближнем поле заметил, что звуковые давления, созда ваемые большим поршневым излучателем в ближнем и дальнем полях, связаны так же, как параметры взаимности для сфери ческой и плоской волны (см. разд. 2.3.1 и 2.3.5). Действительно, если один и тот же преобразователь является точкой в сфери ческой волне (как предполагается при градуировке стандарт ным методом взаимности для сферической волны) или пло скостью в плоской волне (как предполагается при градуировке
Преобраво- |
Усредненное давление |
|
еатель |
в ближнем пале |
|
|
\ \ \ |
\ Давление |
|
1 |
в дальнем |
|
------- |
поле |
|
|
|
|
U |
l |
Рис. 4.9. Ближние и |
дальние поля поршневого преобразователя. S p=pnfli, |
|
|
Ss—pffli. |
|
методом взаимности для плоской волны), то его чувствитель ность по напряжению в свободном поле М в обоих случаях бу дет одинаковой. Но чувствительность преобразователя в режиме излучения S зависит от вида колебаний и от того, на каком рас стоянии она определяется. Таким образом,
M = S pJ p= S sJs, |
(4.5) |
где / — параметр взаимности, а индексы p u s |
относятся соот |
ветственно к плоской и сферической волнам. Ближнее поле большого круглого поршневого излучателя, как видно из рис. 4.9, по-существу состоит из коллимированного пучка зву ковой энергии. Среднее значение звукового давления в лю бом поперечном сечении ближнего поля равно постоянной вели чине; следовательно, ближнее поле аппроксимируется коллими рованным пучком однородных плоских бегущих волн [10, 11]. Звуковое давление в дальнем поле p/у, создаваемое тем же боль шим круглым поршневым преобразователем при таком же токе
возбуждения, как следует из |
формулы |
(4.5), связано с давле |
||
нием pnf соотношением |
|
|
|
|
pft _ |
Ss |
Jp |
S |
(4.6) |
P nf |
Sp |
|
|
|
-As |
|
’ |
15 Заказ № 730
226 |
Гл. IV. Методы ближнего поля |
|
где |
Г\ — опорное расстояние при определении Ss, |
%— длина |
волны, S — площадь поперечного сечения пучка. |
|
|
|
Используя аналогичные рассуждения и вводя параметр |
|
взаимности для цилиндрической волны (разд. 2.3.4), |
можно по |
казать, что отношение давления дальнего поля к давлению ближ него поля для линейного или тонкого цилиндрического преобра зователя равно Lr2lr{k'i2, где г2 —~ опорное расстояние при опре делении чувствительности преобразователя, излучающего
цилиндрические волны, L — длина |
линейного преобразователя. |
Как и в методе DRL,среднее |
значение звукового давления |
в ближнем поле определялось путем применения техники ска нирования и интегрирования при помощи точечного или линей ного гидрофона.
Применение параметра взаимности фактически эквивалентно особому случаю метода DRL, или метода Кирхгофа—Гельм гольца. Если в уравнении (4.4) мы примем cos (3=1, модуль ин
теграла станет равным |
|
J \ 2 p ( Q ) d S = 2 p nfS |
(4.7) |
s |
|
или |
|
\p(P)\ = \p/ f \ = - ^ 2 p nfS, |
(4.8) |
Pff\Pnf=S\rx\. |
(4.9) |
Соотношение (4.9) совпадает с (4.6).
Вместо того чтобы от частного случая применения формулы Кирхгофа—Гельмгольца, или метода DRL,с ихрасчетными проблемами перейти к более общему случаю, Тротт поступил иначе. Он поменял ролями излучатель и гидрофон и представил сканирующий преобразователь как точечный источник, который при интегрировании за некоторый период времени должен соз давать плоскую волну согласно принципу Гюйгенса. Если бы плоская сканируемая площадь была достаточно большой, то проинтегрированное звуковое давление, воздействующее на гра дуируемый преобразователь, невозможно было бы отличить от звукового давления в плоской бегущей волне. Следовательно, вопрос надопоставить так: насколько велики должны быть размеры плоской сканирующей площади, чтобы они удовлетво ряли данному условию? При решении этого вопроса Тротт ре шил обойтись без сканирования и расчетного интегрирования, задумав создать большую многоэлементную решетку, составлен ную из малых источников звука. Каждый элемент этой решетки, являющийся точечным источником звука, должен создавать эле ментарные волны Гюйгенса. Элементы решетки должны быть достаточно малы и в то же время достаточно удалены друг
4.4. Принцип решетки Тротта m
от друга, чтобы решетка была акустически прозрачной. Тогда между решеткой и градуируемым преобразователем не будут возникать стоячие волны, а непо
средственная |
близость |
решетки |
|
||||
к преобразователю не будет ока |
|
||||||
зывать влияния на его импеданс |
|
||||||
излучения. Однако, чтобы решет |
|
||||||
ку можно было уподобить одно |
|
||||||
родному плоскому источнику зву |
|
||||||
ка, расстояния |
между |
|
составля |
Решетка |
|||
ющими ее элементами не должны |
|
||||||
превышать 0,8А. Решетка не со |
|
||||||
гласуется |
строго |
с |
принципом |
|
|||
Гюйгенса, |
поскольку |
|
излучение |
|
|||
происходит в двух противополож |
|
||||||
ных направлениях. Принцип Гюй |
|
||||||
генса связывает с каждым эле |
|
||||||
ментарным источником |
функцию |
|
|||||
направленности (l-fcos(3), т. е. |
|
||||||
точно такую же функцию, какая |
|
||||||
используется в уравнении (4.4). |
|
||||||
Такую направленность можно ре |
Градуируемый |
||||||
ализовать в преобразователе, но |
преобразователь |
||||||
практические трудности |
создания |
|
|||||
однонаправленной |
решетки пе |
|
|||||
ревешивают |
ее |
преимущества. |
|
||||
Градуируемый |
преобразова |
|
|||||
тель можно установить на очень |
|
||||||
близком расстоянии от такой ре |
|
||||||
шетки, как показано на рис. 4.10. |
|
||||||
Решетка |
имитирует |
падающую |
|
||||
плоскую бегущую волну. Обыч |
|
||||||
ные измерения с |
непрерывными |
|
|||||
или импульсными сигналами в та |
|
||||||
ком случае могут |
производиться |
|
|||||
при сколь угодно близких рассто |
|
||||||
яниях между решеткой излуча |
|
||||||
телей и градуируемыми гидро |
|
||||||
фонами. Как и в методе DRL, |
|
||||||
электроакустическая |
|
система |
|
||||
в целом линейна, пассивна и вза |
|
||||||
имна, и поэтому направление |
|
||||||
распространения |
сигнала можно |
|
|||||
изменять |
на |
противоположное, |
Рис. 4.10. Имитация плоской бе |
||||
что не приводит к противоречию |
|||||||
гущей волны решеткой точечных |
|||||||
ни с теорией, ни с данными изме- |
источников. |
15*
228 |
|
Гл. IV. Методы ближнего поля |
|
|
рений. |
Таким |
образом, |
градуируемый |
преобразователь |
можно |
использовать для |
излучения акустического сигнала, |
а решетку — для его приема.
Вернемся теперь к вопросу о том, как велика должна быть решетка, чтобы имитировать воздействие на градуируемый пре образователь источника бесконечных размеров. В случае, если размеры гидрофона невелики, т. е. если его можно считать то чечным, ответ на поставленный вопрос можно найти у многих авторов.
Когда нужно объяснить эффект в точке, находящейся на расстоянии Хо перед рассматриваемой плоскостью, то из релеевской интерпретации [12] принципа Гюйгенса получаем, что поле бесконечно протяженной плоской волны можно заменить полем,
излучаемым первой полуволновой зоной Френеля |
(яКх0) с ам |
плитудой, уменьшенной в 1/л раз. |
|
Штенцель [13] показал, что давление на оси круглого порш |
|
невого излучателя определяется выражением |
|
р = рсие— j k x рсие-J*( W |
(4.10) |
где рс — волновое сопротивление среды, и — колебательная ско рость источника, г0— радиус поршня и х — расстояние по оси. Первый член, стоящий в правой части выражения (4.10), пред ставляет собой давление в бесконечной плоской волне с ампли тудой колебательной скорости и. Второй член характеризует сигнал, который как бы излучается краями поршня и сумми руется с плоской волной, приводя к интерференции ближнего поля в осевом направлении. Если бы краевую дифракцию, или второй член, можно было свести на нет путем наложения про тивофазного кольцевого источника на край поршня, давление в осевом направлении в ближнем поле распределялось бы одно родно. Тогда точечный гидрофон, установленный на оси излу чателя, подвергался бы воздействию только плоской волны.
Однородное распределение звукового давления на оси в ближнем поле легко получается и для двух других форм излу чателей. Фон Хазельберг и Крауткрэмер [14] показали, что плоский круглый излучатель с радиальным распределением амплитуд колебаний или распределением по функции Гаусса е~г2создает постоянное давление на оси в ближнем поле. В диа
грамме направленности дальнего поля такого излучателя отсут ствуют боковые лепестки. Фон Хазельберг и Крауткрэмер ука зывают, что требования отсутствия в диаграмме направленности боковых лепестков и отсутствия осцилляции в ближнем поле, по-видимому, одно и то же. Весь имеющийся опыт подтверж дает взаимосвязь между осцилляциями в ближнем поле и ха рактеристиками направленности в дальнем поле. Это и исполь