Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

328 Гл. VI. Измерение характеристик вспомогательных материалов

Как и в уравнении (6.1), m можно заменить на 1/т без из­ менения вида уравнения. С ростом частоты величина снижения отражения постепенно падает, пока толщина пластины не будет равна lU длины волны, а затем увеличивается, до тех пор пока толщина не достигнет 7г длины волны. Когда kx в уравнении (6.2) приобретает значения я/2, Зя/2, 5я/2 и т. д., т. е. когда толщина кратна нечетному числу четвертей длины волны, сниже­ ние отражения минимально. И для больших, и для малых значе­

я, 2я и т. д., синус в уравнении (6.2) становится равным нулю и снижение отражения становится бесконечным при любом конеч­ ном значении т. Это значит, что любой непоглощающий мате­ риал идеально прозрачен, когда его толщина кратна половине длины волны. Разумеется, снижение отражения бесконечно и при т = 1 . Такие же выводы следуют из уравнения (6.1).

На рис. 6.1 показано снижение отражения двух типичных отражающих материалов. Слой пробки толщиной 3 мм ста­ новится полностью прозрачным при 78 кГц. Соответствующая частота для стали толщиной 15 мм равна 186 кГц. Мы снова видим, что пробка не всегда эквивалентна воздуху, как иногда полагают. Слой воздуха является хорошим отражателем: слой его толщиной 3 мм дает при 1 кГц снижение отражения только на 0,0004 дБ.

6.3.2. Измерение снижения отражения

Снижение отражения обычно измеряют с помощью установки, показанной на рис. 6.2. Падающий и отраженный звуки (звуко­ вые давления) измеряются зондовым гидрофоном, который поме­ щается вблизи образца материала. Для разделения этих двух измеряемых сигналов применяют два способа. Используя импульсный режим, можно разделить падающий и отраженный звуковые импульсы на промежуток времени, который требуется импульсу, чтобы пройти путь от гидрофона к образцу и обратно. При использовании интерферометрического метода оба сигнала перекрываются и их уровни вычисляются по интерференционным максимумам и минимумам, которые обусловлены конструктив­ ной и деструктивной интерференцией. Как и при измерении звукоизоляции, основные трудности связаны с отражениями и дифракцией. Дифракционные эффекты в этом случае не ограни­ чиваются обычной дифракцией на краях препятствия. Если плос­ кая волна падает нормально на отражающую пластинку, то отра­ женная волна неотличима от той, которую излучала бы сама пластинка, если бы она служила излучателем. Зонд, расположен­ ный вблизи пластинки, находится в ближнем поле, или в зоне

Френеля пластинки. Отраженный звук можно рассматривать как комбинацию двух волн: 1) плоской волны с той же амплитудой и фазой, которые были бы при отражении от бесконечно протяжен­ ной пластинки, и 2) дифрагированной волны, которая кажется исходящей от края пластинки и аналогична дифрагированной волне, «обходящей» пластинку в случае измерения звукоизо­ ляции.

Когда используют короткие импульсы и падающая и отра­ женная волны разделяются во времени, необходимо также раз­ делить отраженные и дифрагированные импульсы. Эти два требования о разделении сигналов предъявляют противоречивые требования к выбору расстояния от зонда до образца. Уве­ личение этого расстояния улучшает разделение падающего и отраженного импульсов, но ухудшает разделение отраженного и дифрагированного. Уменьшение этого расстояния приводит к обратному эффекту. На практике используют наименьшие рас­ стояния и минимальные длины импульсов. Однако длину импульса невозможно сделать короче, чем примерно два периода, что и обусловливает низкочастотный предел измерений. Для резонансных отражателей необходимо использовать более длинные импульсы. Импульсные измерения отражений в воде в общем целесообразно использовать тогда, когда длина и ширина образца в пять или более раз превосходят длину волны.

Дифракционные эффекты можно свести к минимуму асиммет­

осложняется тем, что такое покрытие действует как режекторный фильтр. Основная частота (несущая) на резонансной частоте покрытия ослабляется намного сильнее, чем боковые частоты в спектре импульса; поэтому большое снижение отражения на резонансе маскируется малой его величиной на боковых часто­ тах. Чтобы получить истинное снижение отражения вблизи резо­ нансной частоты, на выходе зондового гидрофона необходимо иметь очень узкополосный фильтр.

На низких частотах (большие длины волн), где короткие импульсы получить нельзя, используется интерференционный метод. Зондовый гидрофон помещается вблизи образца, где он одновременно принимает прямой сигнал от удаленного излуча­ теля и сигнал, отраженный от образца. Можно использовать непрерывный сигнал или длинные импульсы. Длинный импульс — это такой импульс, который, с одной стороны, допускает пере­ крытие прямого и отраженного сигналов, а с другой — еще до­ статочно короток, чтобы «отрезать» дифракцию, поверхностные отражения и т. п. Зонд измеряет с учетом фаз сумму падающего и отраженного звуковых давлений. При непрерывном изменении

330 Гл. VI. Измерение характеристик вспомогательных материалов

частоты в некотором диапазоне разность фаз между падающим и отраженным сигналами будет непрерывно изменяться. Вели­ чина суммарных сигналов будет колебаться между состояниями сложения в фазе и в противофазе, напоминающими по характеру изменения картину, создаваемую при градуировках поверхност­ ными отражениями, стоячими волнами или наводкой. На самом деле мы намеренно создаем стоячие волны. Зонд должен отстоять по меньшей мере на 'Д длины волны от отражающей

из трех измеренных величин на рис. 6.3, т. е. по Макс., Мин. или Макс. +Мин. Поскольку измерения глубины острых нулей больше подвержены ошибкам, чем высота закругленных максимумов, то измерения максимумов, показанные на рисунке, более надеж­ ны. В табл. 6.1 приводятся некоторые величины, представленные графически на рис. 6.4, — она более удобна для малых или для получения более точных значений. Интерференционный метод в принципе подобен методу измерения импеданса на границе, замыкающей трубу, который применяется в воздушной акустике.

На практике звуковые волны, которые падают на образецотражатель, не являются плоскими. Как правило, это не влияет на измерения, если не возбуждается поперечного волнового дви­

сматривать пластинку как колеблющийся излучатель, то ампли­ туды колебания на краях будут немного меньше, чем в центре, и будут сдвинуты по фазе. «Затенение» снижает осцилляции дав­ ления в ближнем поле, обусловленные краевой дифракцией. Однако наличие потерь на расхождение означает, что в измерен­ ное отношение уровня отраженного сигнала к уровню прямого сигнала нужно вводить поправку на потери с расстоянием. Когда звук падает на материал под углом, отличным от нормального, в материале могут возбудиться поперечные волны. Последние могут взаимодействовать с продольными волнами, о которых предполагается, что они несут всю звуковую энергию. Следова­ тельно, условия измерений должны соответствовать условиям идеальной плоской продольной волны, даже если возможно воз­ никновение поперечного волнового движения.