ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 127
Скачиваний: 0
28 |
Гл. I. Введение |
28.American Standard Acoustical Terminology, SI.1-1960 (Revision of Z24.1- 1951), American National Standards Institute, New York, 1960.
29.American Standard Letter Symbols for Acoustics, Y10.11-1953, American
30. |
National Standards Institute, New York, 1953. |
and |
electrical systems, |
|
Firestone F. A., A new analogy between mechanical |
||||
31. |
J. Acoust. Soc. Am., 4, |
249 (1933). |
|
|
Firestone F. A., Twixt |
earth and sky with rod and tube; the mobility and |
|||
|
classical impedance analogies, J. Acoust. Soc. Am., |
28, |
1117 (1956). |
|
32.Terman F. E., Radio Engineers Handbook, McGraw-Hill Book Co., New York, 1943.
33.Everitt W. L., Communication Engineering, McGraw-Hill Book Co., New York, 1937.
II
МЕТОДЫ И ТЕОРИЯ
2.1. ВВЕДЕНИЕ
Наиболее часто используемым электроакустическим пара метром является чувствительность гидрофона по напряжению в свободном поле, выраженная в функции частоты. Чувстви тельность гидрофона обычно определяется методом сравнения или методом взаимности. Теория этих двух методов, которые широко используются, рассматривается в этой главе, а практи ческие детали градуировки образцовых гидрофонов и пре образователей гидролокационных станций в свободном поле или
в открытой воде ввиду их важности |
будут обсуждаться |
|
в гл. III. Как теория, так и применение других методов |
(кото |
|
рые, в общем, более специализированы) |
полностью |
обсуж |
даются в этой главе. Методы описываются достаточно полно, чтобы познакомить читателя с условиями их применимости и существующими ограничениями. Дополнительные сведения можно найти в цитируемой литературе. Методу ближнего поля, как уникальному и наиболее современному, посвящена отдель ная глава (гл. IV).
Методы градуировки преобразователей, для которых не тре буется образцовый преобразователь с известной чувствитель ностью, рассматриваются как первичные. В первичном методе измеряются следующие основные величины: напряжение, сила тока, электрический и акустический импедансы, длина, масса (или плотность) среды и время (или частота). На практике обычно не измеряют непосредственно значения плотности, ско рости звука, модулей упругости, а берут эти величины из спра вочника.
К вторичным методам относятся те методы, в которых в ка честве образцового используется преобразователь (обычно гид рофон), отградуированный первичным методом. Примером вто ричного метода является градуировка гидрофона путем сравне ния с образцовым. Поскольку при первичной градуировке допускается применение калиброванных импедансных мостов, вольтметров, генераторов и т. д., но не допускается применение отградуированного гидрофона, то разделение методов "на первич ные и вторичные довольно условно; тем не менее в гидроаку стике такое деление существует.
30 |
Гл. II. Методы и теория |
Методология, которую мы здесь рассматриваем, обеспечивает средства для измерения абсолютной величины, а иногда и фазы электрического напряжения и силы тока, звукового давления и колебательной скорости частиц или отношений этих параметров. Теория чисто электрических измерений хорошо известна, к из мерению колебательной скорости прибегают редко; поэтому ос новным предметом этой главы является измерение звукового давления или отношений, в которые оно входит.
2.2. ВТОРИЧНЫЕ МЕТОДЫ
Вторичные методы градуировки преобразователей, особенно гидрофонов, требуют меньшего числа измерений и имеют меньше источников ошибок, чем первичные. Поэтому вторичные методы шире используются для периодических поверок, хотя их точность никогда не может быть выше точности первичной градуировки образцового преобразователя («эталона»), если используется только один образцовый преобразователь. Точность и надеж ность измерений можно повысить, усредняя результаты измере ний с двумя или тремя образцовыми преобразователями. Этот практический прием позволяет также обнаружить неисправность или ухудшение параметров образцовых преобразователей.
Во вторичных методах градуировки обычно используют об разцовые гидрофоны, а не образцовые излучатели, по причинам, которые будут изложены ниже.
2.2.1. Градуировка гидрофонов методом сравнения в свободном поле
Термин «градуировка гидрофона» подразумевает измерение чувствительности гидрофона по напряжению в свободном поле. Чувствительность звукоприемника по току в свободном поле почти никогда не используется и представляет в основном ака демический интерес *).
Свободным полем называется однородная изотропная без граничная среда. Идеальное свободное поле, конечно, реализо вать невозможно. Большая часть затрат и усилий, вложенных в гидроакустические измерения, вызвана необходимостью соз дать достаточно хорошее приближение к условиям свободного поля или как-нибудь обойти «свободное поле». Отражающие границы, температурные градиенты, газовые пузырьки, морские
организмы — все эти |
и другие |
факторы вносят свой |
вклад |
в искажение условий |
свободного |
поля. При измерении |
«в сво- |
Ниже «чувствительность гидрофона по напряжению» чаще всего назы вается просто «чувствительностью гидрофона».— Прим. ред.
2.2. Вторичные методы |
31 |
бодном поле» предположение о выполнении условий свободного поля остается основным, даже если для того, чтобы нейтрали зовать искажения этих условий, применяются различные практи ческие средства (импульсное излучение, звукопоглотители, кор ректировка результатов с учетом интерференции, создаваемой отражениями). Для измерений в свободном поле используются естественные водоемы, искусственные пруды и бассейны.
Градуировка гидрофона методом сравнения — простая про цедура, и при правильном осуществлении она точна и надежна. Этот метод состоит в том, что исследуемый или градуируемый гидрофон и образцовый гидрофон («калиброванный эталон») подвергают воздействию одного и того же звукового давления в свободном поле и сравнивают их выходные электрические на пряжения. Этот метод называется также «методом замещения», так как в процессе градуировки исследуемый гидрофон ста вится на место образцового (замещает его) без изменения ус ловий измерения.
Предположим, что имеется свободное поле в воде. Звуковое поле создается сферическими волнами, исходящими от излуча теля. Теоретически характеристики излучателя могут быть про извольными. Необходимо только, чтобы он создавал звук тре буемой частоты при достаточно высоком уровне сигнала.
Образцовый гидрофон помещается в звуковое поле. Он дол жен устанавливаться на достаточно большом расстоянии от из лучателя, чтобы участок сферического фронта волны, который на него падает, был достаточно мал (или имел достаточно боль шой радиус кривизны) и падающую волну можно было счи тать плоской. Заметим, что определение чувствительности по напряжению в свободном поле, введенное в разд. 1.5, основано на давлении в плоской волне. Близко расположенные корпуса предусилителей или другие детали конструкции преобразователя должны быть включены в размер гидрофона, так как их при сутствие может влиять на его чувствительность. Теория и прак тические требования, относящиеся к выбору расстояния между преобразователями, более подробно рассматриваются в разд. 3.4.
За исключением случая, когда образцовый гидрофон яв ляется ненаправленным, он должен быть ориентирован так, чтобы его акустическая ось была направлена на излучатель. При такой ориентации измеряется выходное напряжение хо лостого хода es образцового гидрофона. Потом образцовый гид рофон заменяется градуируемым и измеряется выходное на пряжение ех последнего. Если чувствительность образцового гидрофона в свободном поле равна Ms, то чувствительность гра дуируемого Мх находится из соотношения
М х — M sex les , |
(2. 1) |
32 |
Гл. II. Методы и теория |
|
|
|
или, в децибелах, |
|
|
|
|
|
20 lg Ж*= 2 0 lg |
20 lg е* - |
20 lg es . |
(2.2) |
Несмотря |
на простоту градуировки |
гидрофонов |
методом |
|
сравнения, здесь возможны четыре основных источника ошибок: 1) измерение напряжения не соответствует режиму холостого хода, 2) нестабильность образцового преобразователя, 3) нару шение условий свободного поля, 4) недостаточно большое отно шение сигнал/шум.
Выходное напряжение и чувствительность гидрофона изме ряются на определенной паре клемм. Если гидрофон не имеет предусилителя, эти клеммы находятся на конце кабеля, причем кабель нельзя заменить, не нарушив тем самым результатов градуировки. Необходимо также твердо установить условия для заземления, например заземлять и экран кабеля, и один из вы водов гидрофона на конце кабеля.
Вольтметр или другой прибор для измерения напряжения на конце гидрофонного кабеля должен иметь очень высокий вход ной импеданс по сравнению с выходным импедансом гидро фона, или влияние нагрузки должно быть измерено (разд. 3.6). Гидрофоны с высокоимпедансными пьезоэлементами малых раз меров и предусилителями градуируются на выходе пьезоэле мента или на конце кабеля. В первом способе необходимо ис пользовать специальную измерительную цепь или цепь связи (разд. 3.6), чтобы учесть влияние нарушения условий холостого хода на конечной нагрузке и коэффициент усиления или ослаб ления предусилителя. Этот тип градуировки «на выходе кри сталла» применяется с самого начала разработки методов гра дуировки гидроакустических станций во время второй мировой войны. Его основная идея — избавиться от «капризов» предуси лителей. Однако опыт, накопленный со времени второй мировой войны, показывает, что электронный предусилитель (обычно ка тодный повторитель) столь же стабилен, как электроакустиче ский элемент. С накоплением этого опыта и с созданием еще более стабильных полупроводниковых предусилителей стали ис пользоваться и вошли в практику методы градуировки гидро фонов на конце кабеля. Задача измерения напряжения холо стого хода является общей для всех методов градуировки и при использовании гидрофонов с высоким внутренним импе дансом.
Гидрофоны подвержены многим воздействиям, которые на рушают стабильность их чувствительности. Гидростатическое давление, температура, небрежное обращение, загрязнение, кор розия, затекание воды и т. д. — вот некоторые из наиболее оче видных вредных влияний; другие факторы действуют слабее, но
