Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

40 Гл. // . Методы и теория

соответствующие токи возбуждения, ех и es — соответствующие напряжения возбуждения.

Как и при градуировке гидрофонов методом сравнения, при сравнении излучателей может иметь место взаимная компенса­ ция ошибок, обусловленных отражениями. Однако излучатели чаще, чем гидрофоны, различаются по размерам, форме и диа­ граммам направленности. Поэтому указанное преимущество ме­ тода сравнения излучателей реализуется только в том исключи­ тельном случае, когда образцовый и градуируемый излучатели имеют одинаковую конструкцию.

Обе чувствительности в режиме излучения определяются зву­ ковым давлением на расстоянии 1 м от акустического центра излучателя. Это не означает, что измерения проводятся при рас­ стоянии между излучателем и гидрофоном, равном 1 м. Если излучатель велик, точка, лежащая на расстоянии 1 м, может находиться в ближнем поле, или в зоне Френеля, преобразо­ вателя. Она может даже оказаться внутри самого излучателя, как, например, в цилиндрическом излучателе, имеющем радиус 2 м. Поэтому реальные измерения проводятся на расстояниях больше 1 м, гарантирующих измерения в зоне, где применим закон обратных квадратов, т. е. где плотность энергии или квадрат давления в волне уменьшаются обратно пропорцио­ нально квадрату расстояния. При этом звуковое давление изме­ няется обратно пропорционально расстоянию. Давление, изме­ ренное на расстоянии d м, приводится к значению на расстоя­ нии 1 м умножением на d. Например, чувствительность в режиме излучения, измеренную на расстоянии 4 м, нужно ум­ ножить на 4 или, в децибелах, к ней нужно прибавить 201g4,

т. е, 12 дБ.

Большинство электроакустических излучателей взаимны, за исключением, быть может, резонансных частот, где они имеют большие Q. Следовательно, чувствительность по току в режиме излучения можно определить, градуируя преобразователь как гидрофон и вычисляя чувствительность в режиме излучения 5 из соотношения взаимности S = M/J, где М — чувствительность

2.3. МЕТОДЫ ВЗАИМНОСТИ

Принцип взаимности был введен в электроакустику Шоттки [3] в 1926 г. и Баллантайном [4] в 1929 г. Маклин [5] и Кук [6] первыми использовали его для целей градуировки в 1940 и 1941 гг. Гидроакустическая лаборатория отделения военных исследований Колумбийского университета (позже

ВМС) разработала метод градуировки гидролокационных стан­ ций [7].

Принцип взаимности используется в ряде модификаций гра­ дуировки этим методом. Если термин «градуировка методом взаимности» используется в гидроакустике в широком смысле, то имеется в виду наиболее распространенная модификация этого метода, которая в дальнейшем будет называться стан­ дартным методом взаимности. Более полным названием для этой модификации было бы «метод взаимности с тремя преобразова­ телями в сферической волне».

Все методы взаимности основываются на том, что один из

к чувствительности в режиме излучения 5 равно постоянной ве­ личине /, называемой параметром взаимности. Этот параметр зависит от свойств акустической среды, частоты и граничных условий, но не зависит от типа и деталей конструкции преобра­ зователя.

Чтобы преобразователь был взаимным, он должен быть ли­ нейным, пассивным и обратимым. Однако не все линейные, пас­ сивные и обратимые преобразователи являются взаимными [8]; примером служит преобразователь, содержащий и пьезоэлектри­ ческие, и магнитострикционные элементы [9]. Хотя большинство обычных преобразователей (т. е. пьезоэлектрические, пьезоке­ рамические, магнитострикционные, электродинамические и т. д.) при номинальных уровнях сигнала являются взаимными, для надежности градуировки необходимо иметь какое-либо под­ тверждение того, что ■обратимый взаимный преобразователь действительно взаимен. К сожалению, не имеется абсолютно достоверного способа определения этого свойства, но есть спо­ собы подтверждения того, что вероятность взаимности преобра­ зователя близка к единице.

Способ, который удобно использовать в обычной процедуре градуировки методом взаимности, называют просто проверкой взаимности. Рассмотрим два обратимых преобразователя Тх и Т2, помещенные в произвольных положениях в одну и ту же среду. Возбудим Т\ током ii и цзмерим выходное напряжение холостого хода е2 у Т2. Не меняя положений преобразователей и граничных условий, изменим направление распространения сигнала, т. е. возбудим Т2 током i2 и измерим выходное на­ пряжение е\ у Т\. Если система, состоящаяиз двух преобразо­ вателей, водной среды и ее границ, взаимна, то e2lii = e ji2. Из этого равенства не следует обязательно, что вся система и ее отдельные части взаимны, но это разумное практическое под­ тверждение взаимности системы, если и Т2— преобразователи разнородные. Если используются разнородные преобразователи,

42 Гл. II. Методы и теория

то они, конечно, не могут оба быть невзаимными, но отношения e2/ii и ei/t'2 случайно оказываются равными; так было бы, на­ пример, если бы оба преобразователя были одинаково нелиней­ ными. Как мы увидим, эти контрольные измерения легко ском­ бинировать с обязательными измерениями при градуировке гидрофонов обычным методом взаимности.

В другом методе гидрофон градуируется методом взаим­ ности, а потом еще одним из нескольких независимых методов, описанных в этой главе. Если результаты градуировок полу­ чаются одинаковыми, то это свидетельствует о правильности предпосылок обоих методов. Среди них имеется и предположе­ ние о взаимности преобразователя. Однако не следует забывать, что согласие результатов измерений является свидетельством, но не доказательством! Оба метода могут быть ошибочными, но ошибки могут случайно скомпенсироваться.

Две из обсуждаемых ниже модификаций метода взаим­ ности — метод двух преобразователей и метод самовзаимности — являются частными" случаями стандартного метода взаимности. Остальные модификации требуют специальных граничных ус­ ловий. При этом определения М, S отличаются от их определе­ ний для условий свободного поля. Поскольку 5 зависит от среды и ее граничных условий сильнее, чем М, то отличается обычно именно 5. Можно показать, что параметр взаимности / в каж­ дом случае есть отношение объемной скорости, создаваемой взаимным преобразователем, к звуковому давлению, исполь­ зуемому в определении 5 [10]. Последним может быть, напри­ мер, давление в точке на оси преобразователя на расстоянии 1 м от него. Таким образом, параметр взаимности является пе­ редаточной акустической проводимостью системы.

2.3.1. Стандартный метод взаимности

При градуировке стандартным методом взаимности необхо­ димо иметь три преобразователя. Один из них является только излучателем Р, другой — взаимным преобразователем Т и слу­ жит как излучателем, так и звукоприемником, а третий служит только гидрофоном Н.

Любой из трех преобразователей может быть градуируемым. Однако формула обычно выводится для чувствительности гид­ рофона в свободном поле Мн . Измерения производятся в даль­ ней зоне свободного поля, так что на гидрофон падают только сферические волны, создаваемые излучателем.

Расположение преобразователей и производимые измерения схематически показаны на рис. 2.5. Только первые три из показан­ ных измерений (а, б и в ) необходимы для градуировки. Чувстви­ тельность Мд гидрофона по напряжению в свободном поле опре­