Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

в свободном поле превосходят его преимущества, и способ одно­ временного погружения преобразователей используется редко.

Отношение сигнал/шум есть отношение амплитуды измеряе­ мого сигнала к нежелательным, но всегда присутствующим электрическим и акустическим шумам. Шум должен быть доста­ точно мал.относительно сигнала, если последний нужно изме­ рить точно. Именно это ограничение делает невозможной гра­ дуировку гидрофонов очень малой чувствительности.

2.2.2. Градуировка гидрофона с помощью образцового излучателя

Гидрофон можно отградуировать сравнением с образцовым излучателем, а не с образцовым гидрофоном. Если излучатель питается током, измеренное значение которого равно is, а чувст­ вительность излучателя по току S s, то звуковое давление в сво­ бодном поле на расстоянии d м от излучателя на его акустиче­ ской оси равно isS s/d. Если градуируемый гидрофон помещен в эту точку и его выходное напряжение холостого хода равно ех, то чувствительность гидрофона в свободном поле

Расстояние d должно быть достаточно большим, чтобы эф­ фекты близости двух преобразователей были пренебре­ жимо малы.

В этом способе градуировки требуется только один преобра­ зователь, кроме градуируемого гидрофона, и фиксированное расположение оборудования. Однако использование образцовых излучателей для градуировки гидрофонов имеет серьезные не­ достатки, которые рассматриваются в разд. 2.2.4.

2.2.3. Градуировка гидрофонов методом сравнения в малых камерах

Одновременное воздействие на образцовый и градуируемый гидрофоны одним и тем же полем чаще всего производится при возбуждении звука в малой замкнутой камере. Если наиболь­ ший размер замкнутой камеры намного меньше длины звуковой волны в воде, то звуковое давление во всех точках внутри ка­ меры практически одинаково. Камера должна быть замкнутой в том смысле, что водная среда полностью заключена внутри высокоимпедансных или жестких стенок камеры. Любая подат­ ливость: граница раздела вода—воздух, воздушный пузырек, гибкая стенка или другая низкоимпедансная граница — приво­ дит к большим градиентам давления. В качестве иллюстрации рассмотрим два маленьких участка системы со стоячей волной

(рис. 2.1). В местах, где волновой импеданс велик, или в пуч­ ности давления, амплитуда давления медленнее изменяется с расстоянием, чем в местах, где импеданс мал, или в узлах давления.

Рис. 2.1. Распределение звукового давления (сплошная кривая) и колебательной скорости (пунктир) в стоячей волне. 1 — плоскость высокого импеданса (р/и_>_оо); 2 — распределение давления вблизи жесткой границы; 3 — плос­ кость низкого импеданса (р/и=0); 4 — распределение давления вблизи мягкой границы.

Звуковое давление, действующее на каждый гидрофон в ма­ лой камере, практически одинаково. Оно равно истинному, не­ посредственно действующему на гидрофон давлению, и поэтому,

Р и с. 2.2. Эквивалентная схема гидрофона в свободном поле. Звуковое давле­ ние свободного поля представлено акустическим генератором Тевенина. ра— возбуждаемое давление; рь — давление, создаваемое генератором Тевенина на заторможенной диафрагме гидрофона; pf — давление в свободном поле; Zr — импеданс излучения гидрофона; D — коэффициент дифракции; Za — акустиче­

ский импеданс гидрофона; е — электрическое напряжение.

если нужно получить градуировку по свободному полю, необхо­ димо знать связьмежду этим давлением и соответствующим давлением в свободном поле. Если чувствительность гидрофона определяется по отношению к непосредственно действующему на гидрофон давлению, градуировка называется градуировкой «по давлению». Чтобы выяснить соотношение между чувствитель­ ностями «по давлению» и «по свободному полю», рассмотрим рис. 2.2. Гидрофон в свободном поле представлен блок-схемой

3*

с двумя выходными электрическими клеммами и двумя вход­ ными акустическими клеммами. На входные клеммы действует давление ра. Входной акустический импеданс равен Za. Плоские бегущие волны в свободном поле с давлением р/, которые па­ дают на гидрофон, создаются акустическим генератором Тёвенина. Давление рь, создаваемое этим генератором, равно сред­ нему давлению, действующему на диафрагму гидрофона, когда диафрагма заторможена, т. е. когда Za->оо. Импеданс генера­ тора Zr есть акустический импеданс, измеренный на зажимах гидрофона со стороны акустического генератора. Тогда Zr пред­ ставляет собой импеданс излучения, измеренный на диафрагме гидрофона со стороны воды. Связь между давлением на за­ торможенном преобразователе и давлением в свободном поле определяется формулой

где D называется коэффициентом дифракции. Величина D за­ висит от размера гидрофона и длины волны и может изменяться от 0 до 2 [1, 2]. Если максимальный размер гидрофона L много меньше, чем длина волны X, то £> = 1 (см. разд. 5.2, где дифрак­ ция рассмотрена подробнее). Давление на заторможенном пре­ образователе и действующее давление связаны соотношением

3>Zr, то pf = pa, и чувствительности по свободному полю и по давлению равны.

Как правило, чувствительности по давлению измеряются и используются только тогда, когда они равны чувствительностям по свободному полю. В любом случае правильная градуировка в камере получается лишь при L<CX и Za3>Zr для всех исполь­ зуемых гидрофонов. Эти критерии применимы как для градуи­ ровки сравнением, так и для первичной градуировки в малой камере, описанной ниже. Исключением может быть случай, когда градуируемый и образцовый гидрофоны при градуировке методом сравнения имели бы одинаковые Za, Zr и D.

Поскольку гидрофон должен помещаться в камеру, которая много меньше длины волны, то требование L<CX выполняется автоматически и ZTдолжно быть мало. Фактически все обычные гидрофоны, кроме электродинамических, удовлетворяют условию Za^>Zr, за исключением области вблизи резонанса.

Таким образом, в малой камере можно градуировать малые, акустически жесткие гидрофоны.

На рис. 2.3 представлена типичная схема замкнутой камеры. На рис. 2.4 показана эквивалентная схема этой системы. Пред­

полагается, что скорость частиц в среде пренебрежимо мала, за исключением области, находящейся вблизи диафрагмы. Следова­ тельно, вблизи диафрагмы акустический импеданс представляет собой инерцию массы малого объема среды. Вне этой об­ ласти акустический импеданс представляет собой гибкость срав­ нительно большого объема среды. Импедансы стенок камеры

Рис. 2.3. Типичная система с малой замкнутой камерой. 5 —■образцовый гид­ рофон; X — градуируемый гидрофон; е3 и ех — выходные напряжения; m — масса жидкой среды вблизи диафрагмы; С.— гибкость среды вдали от диа­ фрагмы. 1 — источник звука, 2 — диафрагма.

или ее границ и гидрофонов включены параллельно с гибкостью среды, но предполагаются большими. Формула метода сравне­ ния в малых камерах совпадает с формулой градуировки в сво­ бодном поле — уравнение (2.1) или (2.2).

гп

Рис. 2.4. Эквивалентная схема системы, показанной на рис. 2.3; Zw, Zs и Zx — импедансы стенок, образцового гидрофона и градуируемого гидрофона соот­ ветственно; р — давление в удаленной от диафрагмы части камеры.

В этом методе средой может быть не только вода. Можно использовать и другие жидкости — обычно это делается для по­ лучения большей длины волны или изменения электропровод­ ности среды. Можно использовать воздух и другие газы, но только за счет повышения нижней рабочей частоты.

Длина волны в воздухе составляет — Vs длины волны в воде на той же частоте. Предположение о малости размеров камеры по сравнению с длиной волны становится неверным в воздухе на частоте, равной (Д соответствующей частоты в воде. По­ скольку гибкость С среды на рис. 2.3 и 2.4 становится большой,

38 Гл. II. Методы и теория

когда средой является воздух, то р мало, если только колебатель­ ная скорость и не увеличится соответственно. Скорость можно увеличить, используя в качестве излучателя громкоговоритель. Использование воздуха в качестве акустической среды приводит к низкому импедансу по всему объему полости камеры, а не только в отдельных точках. Поэтому гидрофон с низким импе­ дансом не нарушает однородности давления. Применение воздуха позволяет измерять чувствительность по давлению гидро­ фона и с низким импедансом, но такие градуировки находят малое применение в гидроакустике.

В одном из вариантов этого метода камера делается откры­ той. При этом она имеет настолько малые размеры и так устроена, что m обозначает массу воды (рис. 2.3 и 2.4), Zw и 1/соС равны нулю и гидрофоны помещаются в движу­ щуюся массу воды. Дальнейшие подробности об этом довольно специальном методе приведены в разд. 2.5.2.

2.2.4. Градуировка излучателей

Градуировка излучателя означает измерение его чувстви­ тельности по току или по напряжению. При градуировке обычно используется чувствительность по току, связанная с чувстви­ тельностью по напряжению в свободном поле обратно пропор­ циональной зависимостью. Чувствительность по напряжению ис­ пользуется в гидролокации и других практических приложениях, где напряжение является более привычным, легче измеряемым параметром или более постоянным при изменении частоты, чем ток. Ни одна из чувствительностей в режиме излучения не реко­ мендуется для использования в работах по точной градуировке, потому что, помимо прочего, для этого потребуются особенно хорошие условия свободного поля. Чувствительность в режиме излучения относится к звуковому давлению, создаваемому на рас­ стоянии 1 м от излучателя в свободном поле. На практике из­ мерения можно производить на больших расстояниях. Давление и чувствительность зависят как от преобразователя, так и от среды, в которую он излучает звуковую энергию. При градуи­ ровке или использовании образцовых излучателей происходит меньшее количество взаимных компенсаций погрешностей, чем при градуировке методом сравнения гидрофонов, так как в по­ следнем случае измеряется только отношение (или разность в дБ) двух напряжений.

Частотная характеристика излучателя менее постоянна, чем гидрофона. Излучатели обычно крупнее образцовых гидрофонов, поэтому они сильнее подвержены дифракционным эффектам и имеют больше паразитных резонансов. Некоторые излучатели нелинейны и нестабильны на резонансной частоте или вблизи

нее. Все это говорит против использования образцовых излу­ чателей.

Излучатели могут быть очень стабильными на частотах вне области резонанса — даже более стабильными, чем гидрофоны, так как электрический импеданс излучателя ниже и менее чув­ ствителен к изменению сопротивления утечки и паразитной емкости. Будучи большими по размерам, они обладают направ­ ленностью. В той области частот, где излучатели стабильны и обладают направленностью, их можно градуировать и использо­ вать в качестве гидрофонов. Большинство образцовых гидрофо­ нов имеют малые размеры только потому, что небольшие гид­ рофоны удобнее в обращении, так как не обладают направлен­ ностью и их чувствительности постоянны в широком диапазоне частот (разд. 5.2).

Излучатели обычно градуируют как часть гидролокатора, оке­ анографической или Другой подводной электроакустической си­ стемы. Градуировка производится, когда излучатель помещен в свободное поле и электрически возбуждается номинальным током ix или напряжением ех.

На расстоянии d м от излучателя на его акустической оси помещается образцовый гидрофон с известной чувствитель­ ностью в свободном поле Ms. Измеряется выходное напряжение холостого хода es. Тогда чувствительности в режиме излучения

Другим методом измерения 5 является градуировка излуча­ теля методом сравнения, которая аналогична градуировке ме­ тодом сравнения гидрофонов. Сначала образцовый излучатель создает звук, который измеряется неградуированным гидрофо­ ном. Затем на место образцового излучателя помещается гра­ дуируемый, и ток, возбуждающий его (или напряжение на нем), регулируется до тех пор, пока не будет достигнуто то же на­ пряжение на выходе гидрофона, какое было при образцовой из­