Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

Чувствительность в режиме приема равна М = еос1рР, где рр — среднее давление в плоской волне. Поскольку среднее давление неотличимо от однородного давления плоской волны, то чувст­ вительность в режиме приема М будет той же самой, что и чув­ ствительность по напряжению в свободном поле. Чувствитель­

ность в режиме излучения равна pp/i, и она опять-таки отли­ чается от чувствительности по току в свободном поле. Метод взаимности в плоской волне, как и метод взаимности в цилинд­ рической волне, является специализированным методом. В пер­ воначальной форме, разработанной Симмонсом и Юриком, его целесообразно применять для градуировки больших ультразву­ ковых преобразователей. В модифицированной форме он исполь­ зуется в трубе на звуковых частотах. Метод взаимности в трубе описан в следующем разделе. Метод взаимности в плоской волне, как и метод взаимности в цилиндрической волне, исполь­ зуется в методе ближнего поля Тротта и может быть объеди­ нен с методом самовзаимности, что дает

2.3.6. Метод взаимности в трубе

На рис. 2.11 буквами Р, Т и Я обозначены три преобразо­ вателя, необходимые при градуировке методом взаимности в трубе: Р — излучатель, Т — взаимный преобразователь и Я —■ гидрофон. Второй излучатель Р' используется как активный управляемый импеданс для создания бегущей волны в трубе. Для градуировки гидрофона проводятся три измерения, уже из­ вестные из рис. 2.5 и соотношения (2.17). Два из них, Р - + Т и Р ^ -Я , производятся с установкой, представленной на рис. 2.11, а. Звук исходит из Р, распространяется в виде плоских бе­ гущих волн, минуя Я, и попадает на Т. При надлежащем вы­ боре амплитуды и фазы сигнала в Р' по отношению к сигналу в Р волны, попадающие на Т, не отражаются; вся звуковая энергия поглощается преобразователем Т или часть ее прохо­

из Т. Плоские бегущие волны распространяются в обоих направ­ лениях и поглощаются Р и Р'. В этом случае Р и Р' действуют как волновые сопротивления акустических передающих линий.

и практических отличий между методом взаимности в плоской волне, предложенным Симмонсом и Юриком, и методом взаим­ ности в трубе, предложенным Битти. В трубе преобразователи не находятся в ближнем поле друг друга. Преобразователи должны быть очень маленькими, и размеры взаимного преобра­ зователя Т и гидрофона Я должны быть существенно меньше

я

Рис. 2.11. Две схемы измерений при градуировке методом взаимности в трубе. 1 — регулировка фазы и амплитуды; 2 — генератор,

поперечного сечения трубы. Вблизи преобразователя Т, рабо­ тающего в режиме излучения, существует область, в которой звуковая энергия расходится от него, прежде чем начнет рас­ пространяться в виде плоских бегущих волн. Практически это замечание справедливо и для излучателя Р. В трубе исполь­ зуется непрерывная звуковая волна, а не импульсы звука. Вы­ сокочастотный предел метода взаимности в трубе определяется диаметром трубы. Если диаметр становится больше ~ '/з длины волны, распределение звукового давления в плоскости попереч­ ного сечения перестает быть однородным.

4*

52 Гл. II. Методы и теория

Чувствительность гидрофона в режиме приема Мц, измерен­ ная в трубе, совпадает е чувствительностью в свободном поле. Чувствительность в режиме приема Мт взаимного преобразова­ теля совпадает с его чувствительностью в свободном поле, если преобразователь не имеет резонансов в рабочем диапазоне ча­ стот. В противном случае необходимо вводить частотную по­ правку, или коррекцию, f = f'( 1 — А/). Величина А/ представляет разность между резонансными частотами в трубе и в свободном поле; /' — измеренная частота, f — исправленная частота.

Метод взаимности в трубе удобен для градуировки резонанс­ ных преобразователей в замкнутых камерах при высоких уров­ нях статического давления. В Лаборатории гидроакустических изхмерений ВМС имеется труба длиной 15 м и диаметром —38 см для гидростатических давлений до 58,6 • 105 Па (600 атм) и частот от 40 до 1500 Гц, а также труба длиной 2,4 м и диамет­

Термин «малая камера» используется в акустике примени­ тельно к малой полости, осуществляющей акустическую связь между излучателем (или громкоговорителем) и гидрофоном. Та­ кая камера обычно мала по сравнению с длиной звуковой волны в среде, заполняющей ее, а ее стенки имеют высокий акусти­ ческий импеданс. Поэтому давление практически одинаково во всем объеме камеры и равно звуковому давлению, создаваемому излучателем.

Малая камера подобна малым камерам для градуировки сравнением, о которых говорилось в разд. 2.2.3. Однако имеется важное отличие, которое заключается в том, что при первичной градуировке гидрофонов акустическая масса m (рис. 2.3 и 2.4) должна быть устранена, чтобы давление, воздействующее на гидрофон, было равно давлению, создаваемому возбудителем. С этой целью камеры делаются очень малых размеров, так что гидрофоны вводятся туда лишь частично; при этом диафрагмы преобразователей образуют часть стенок камеры.

На рис. 2.12 показана схема камеры, содержащей три пре­ образователя. Как и в других разновидностях метода взаим­

ская гибкость среды и ее границ, когда Т работает в режиме излучения. Электрическим аналогом этой акустической системы является схема, показанная на рис. 2.13. Предполагается, что

система камеры на рис. 2.13 управляется гибкостью или жесткостью, т. е. все резонансы расположены выше диапазона частот градуировки.

&PH■етм

I

н

\

р> Т

Lt

е РТ

Ж и д к о с т ь

Рис. 2.12. Схема системы малой камеры для метода взаимности. Р — излуча­ тель, Н — гидрофон, Т — взаимный преобразователь.

Метод взаимности в камере можно использовать только для градуировки небольших жестких гидрофонов на низких часто­ тах, где чувствительность по напряжению в свободном поле сов­ падает с чувствительностью по давлению. Метод весьма полезен

Рис. 2.13. Эквивалентная схема системы, показанной на рис. 2.12. Ср, Сю, Сн , CL и Су — акустические гибкости излучателя, стенок, гидрофона, жидкости

и взаимного преобразователя соответственно; рр и рт— давления на затор­ моженных преобразователях Р и Т.

для градуировки специальных гидрофонов при высоких стати­ ческих давлениях. Гидрофоны должны быть специальными в том смысле, что конструкции камеры и гидрофона должны быть совместимы друг с другом по размерам, форме и средствам вве­ дения электрического сигнала внутрь камеры.

Поскольку объем полости камеры и гибкость С малы, то возбудителю достаточно обеспечить небольшую объемную ско­ рость, чтобы создать измеримое звуковое давление; поэтому на низких частотах можно использовать небольшие пьезоэлектри­ ческие или пьезокерамические возбудители. На практике Р , Т п Н

часто бывают похожими друг на друга и имеют конструкцию небольших ненаправленных гидрофонов.

На рис. 2.14 показана камера, используемая в Лаборатории ВМС для первичной градуировки образцовых гидрофонов в ди­ апазоне частот 20—3000 Гц при гидростатических давлениях О—ПО -105 Па [19].

Стенки камеры и преобразователи в этой системе очень жесткие. Гибкость С объема жидкости, заполняющей камеру, вычисляется по формуле

где V — объем жидкости в см3, р — плотность ее в г/см3, с — скорость звука в жидкости в см/с, р — адиабатическая сжимае­ мость в долях изменения объема на 1 дин/см2. Камеру можно заполнять не только водой. В данной системе исполь­ зуется касторовое или силиконовое масло, так как в этом слу­ чае чувствительные элементы пьезоэлектрического или пьезоке­

рамического излучателя и взаимного преобразователя можно приводить в прямой контакт с заполняющей жидкостью.

В Канадском отделе военно-морских исследований в качестве камеры используется стальной цилиндр диаметром 12,7 см и длиной 50,8 см, рассчитанный на работу при статических давле­ ниях до 1034,1 • 105 Па [20]. Камера такого размера допускает некоторую свободу выбора используемых и градуируемых гид­ рофонов, но за счет уменьшения диапазона частот. Высокоча­ стотный предел этой системы находится вблизи 400 Гц. Гибкость С этой камеры измеряется, а не вычисляется. Для этого в ка­ меру вдавливается точно измеренный объем воды А К, в резуль­ тате чего гидростатическое давление в ней повышается на Ар. Тогда С= AVIАр. Изменение давления Ар измеряется специаль­ ными весами; измерение проводится в статическом режиме и яв­ ляется изотермическим, а не адиабатическим или динамическим, которое требуется. Но это вносит малую ошибку.

В разновидности этого метода, разработанной в СССР [21], для измерения гибкости к камере присоединяют узкую трубку и определяют резонансы Гельмгольца в системе малой камеры, соответствующие двум различным уровням (массам) воды в трубке. Трудность градуировки гидрофонов методом взаим­ ности в малой камере заключается в необходимости полного удаления воздушных пузырьков. Поскольку акустический им­ педанс параллельной комбинации среда—стенки камеры—пре­ образователи должен быть очень большим, наличие даже маленького пузырька приводит к увеличению гибкости, уменьше­ нию давления и увеличению градиента давления. На электриче­ ской эквивалентной схеме (рис. 2.13) можно видеть, что пузы­ рек закоротит схему. Иногда проблема пузырьков становится столь серьезной, что измерения при атмосферном давлении ока­ зываются невозможными. Чтобы пузырьки исчезли за счет растворения воздуха в воде, бывает необходимо небольшое гид­ ростатическое давление — порядка 3,5 • 105 Па.

Электрические импедансы преобразователей обычно очень велики, что затрудняет борьбу с электрической наводкой— пе­ редачей электромагнитных сигналов от одного преобразователя к другому помимо акустического пути. Для уменьшения наводки используются сетчатые экраны из проволоки, показанные на рис. 2.14.

Высокочастотный предел градуировки определяется либо раз­ мером камеры, либо резонансом какой-либо части системы. Низ­ кочастотный предел, равный 20 Гц для обеих рассмотренных систем, обычно определяется трудностью электрического воз­ буждения небольших высокоимпедансных пьезоэлектрических элементов на инфразвуковых частотах.

Теория метода взаимности в камере проста. Он является