Файл: Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике.pdf

Л. Л. МЯСНИКОВ, Е. Н. МЯСНИКОВА, я . М. Щ УЧИН СКИЙ

НО В Ы Е

МЕ Т О Д Ы

ИЗ М Е Р Е Н И Й

ВП О Д В О Д Н О Й

АК У С Т И К Е

ИР А Д И О Т Е Х Н И К Е

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О „ С У Д О С Т Р О Е Н И Е 11 Л Е Н И Н Г Р А Д

1 9 7 4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая читателю книга посвящена теоретическому анализу современ­ ных проблем акустических и радиотехнических измерений, относящихся к под­ водному излучению и приему, к распространению звука и электромагнитных ко­ лебаний в морских условиях. Большое внимание уделяется методу конструктив­ ного анализа и применению его для исследования сложных сигналов, а также ста­ тистическим методам измерений, получившим за последние годы значительное раз­ витие. Наибольшее место отводится изложению тенденций развития измерений

вакустике и радиотехнике.

Всовременной экспериментальной технике заметно возросла роль вычисли­ тельных машин в акустических и радиотехнических измерениях, что нашло отра­ жение в данной книге.

Книга содержит семь глав. В главе 1 сделана попытка разработки теории из­

мерений, построенной на базе конструктивной математики, обсуждаются вопросы применения вычислительных машин для измерительных процедур и измерения сла­ бых сигналов на фоне помех.

В главах 2 и 3 приведено описание радиофизических методов измерений на судах и в море. Техника измерений на микрорадиоволнах, вопросы, связанные с радиоастрономией, а также с применением эталонов частоты и времени в измере­ ниях на море, рассматриваются в главе 4. Последующие главы посвящены акусти­ ческим измерениям в различных диапазонах частот (звуковом, инфразвуковом и ультразвуковом). В них рассматриваются задачи измерений в акустике с использо­ ванием радиотехнических средств.

Перед авторами возник следующий вопрос: как описывать «материальную часть» современных измерительных приборов? Даже скупые каталоги приборов, применяемых в радиотехнических и акустических измерениях, занимают большие объемы. Поэтому в приложении приводится только краткий перечень типовых при­ боров и устройств, упоминаемых в тексте, в котором даются ссылки на типы при­ боров и фирменные каталоги. Этот перечень, очевидно, быстро устареет из-за стре­ мительного развития научно-технической революции.

Авторы считают приятным долгом выразить благодарность канд. техн. наук

A.А. Мосягину, просмотревшему рукопись книги, рецензентам канд. техн. наук

B.В. Ольшевскому и канд. техн. наук А. Д. Бродскому, научному редактору д-ру техн. наук А. Е. Колесникову за весьма ценные замечания.

Авторы выражают признательность А. Л. Мясникову и В. Л. Мясникову,

принимавшим большое участие в написании главы 4.

ВВЕДЕНИЕ

Современный период развития акустики и радиотехники харак­ теризуется переходом к новым методам измерений: возникают новые направления, которые существенно изменяют задачи акустических

ирадиотехнических измерений.

Вчем же заключаются новые тенденции развития измерений

вобласти акустики и радиотехники?

1.В перестройке известных ранее методов измерений на основе использования вычислительной математики и техники — аналого­ вых и электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ).

2.В развитии методов измерений на основе освоения новых частотных диапазонов как электромагнитных, так и акустических колебаний. Радиотехника осваивает области сверхдлинных электро­ магнитных волн и микрорадиоволн; это приводит к возникновению новых методов измерений. Акустика развивается в области очень длинных волн (инфразвуков) и в области высоких частот (микро­ волновая акустика), что тоже приводит к появлению новых методов измерений.

3.В переходе от классических методов измерений (сохраняю­ щих свое значение) к методам так называемых конструктивных измерений. В связи с исследованиями конфигурации полей, массо­ выми измерениями, распознаванием образов и т. д. осуществляется описание процессов методами конструктивной математики и теории алгоритмов.

Первые два положения не нуждаются в объяснениях: и роль электронных вычислительных машин, и значение методов измерений

восваиваемых новых частотных диапазонах понятны. На последнем положении следует остановиться более подробно.

На основе конструктивной математики [67 ] возможно создание

такой теоретической системы, которая не только включала бы в себя классическую и квантовую механику (не противореча выво­ дам этих наук в тех областях, где они применимы), но и охватывала бы круг сложных задач, особенно интересующих современную технику. Эта теоретическая система должна открывать доступ к про­ граммированию работы вычислительных машин. Естественно на­ звать такую теоретическую систему конструктивной механикой [78].

5

Конструктивная механика предназначена в основном для изу­ чения сложных по структуре задач, которые затруднительно решать или программировать классическими методами.

В практике акустических и электромагнитных измерений, про­ изводимых в конкретных условиях — в городах, под землей, в атмо­ сфере и в особенности на море, встречаются сложные измерительные задачи. Например, известно, что скорость звука в океане является величиной случайной и в сильной степени зависит от гидрологи­ ческих условий, от солености и температурных неоднородностей воды. Поэтому для подводной акустики важно пусть даже грубое, приблизительное определение скорости звука, но в разных местах и в разные промежутки времени с тем, чтобы получить простран­ ственно-временную картину распределения скорости звука.

Если ни вид подводного источника звука, ни влияние гранич­ ных условий не могут быть заранее учтены, распределение звуковых давлений надо найти экспериментально. Далее строится картина распределения звуковых давлений в аналоговом виде, а затем после преобразования аналог—код данные вводятся в регистратор событий или устройство памяти ЭЦВМ. Эта процедура повторяется много­ кратно с тем, чтобы получить словарь эталонных последователь­ ностей, изображающих различные типичные случаи распределения звуковых давлений в море. Ввод информации должен быть много­ канальным; каналы идут от приемников звуковых давлений, распре­ деленных по акватории.

Если исследуются в морских условиях атмосферные радиопомехи, возникновение которых случайно, а законы распространения очень сложны, прецизионное измерение электромагнитного поля в отдель­ ных точках уступает место массовому измерению его характеристик с целью построения общей картины. Только тогда появляется воз­ можность получить нужные распределения.

Все перечисленные задачи могут быть отнесены к конструктив­ ным измерениям.

Конструктивные измерения имеют свою теорию, которая выра­ жается с помощью схем алгоритмов и программ. Некоторые тео­ ретические вопросы решаются в процессе самообучения машины и оптимизации. Теория может быть записана на алгоритмическом языке.

Почему акустические и радиотехнические измерения объединены в одной книге? Казалось бы, не следует возвращаться к тем време­ нам, когда электроакустику считали частью радиотехники.

Изобретение А. С. Поповым радио и последующее развитие радиотехники, а также рождение электроники позволили в первой четверти нашего столетия влить новое содержание в акустику. В дополнение к классическим методам акустических измерений, основанным на использовании диска Релея, камеры Кенига, трубки Кундта, резонатора Гельмгольца и т. д., родились новые акустиче­ ские методы, основанные на электротехнике, радиотехнике и электро­ нике. Возникли методы электрических измерений акустических величин, электронного осциллографирования звука, магнитной и оп­

6

ГЛАВА 1

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ИЗМЕРЕНИЙ

§ 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНСТРУКТИВНОЙ ТЕОРИИ

При описании исследуемых физических процессов будем исхо­ дить из понятий системы и состояния системы. Под системой могут пониматься любые тела или совокупности тел.

Вклассической акустике изучаются такие системы, как колеблю­ щиеся струны, мембраны, стержни, пластинки, объемы правильных форм и т. д. Их условно можно назвать «простыми».

Вклассической электродинамике рассматриваются тоже «простые» системы, такие, как диполь, прямые и ромбические антенны, плоские

и воздушный пузырек, который поглощает подводный звук, и ко­ рабль, производящий подводный акустический шум или излучаю­ щий электромагнитные волны; системой будет и рыбный косяк, отражающий импульсы, посылаемые рыболокатором.

Объекты конструктивных измерений в гидроакустике и электро­ динамике имеют «сложный» вид, примером чему может быть корабль как источник звука или электромагнитного излучения; морская среда, в которой распространяется звук; волнующаяся поверхность океана, рассеивающая электромагнитные волны.

При рассмотрении сложной системы не ставится цель всесто­ роннего ее анализа. Например, говоря о корабле как об источнике звука, совершенно необязательно рассматривать его мореходные качества, остойчивость, хотя, разумеется, свойства системы свя­ заны между собой. Система изучается односторонне: если вопрос касается акустических явлений, то по возможности отвлекаются от рассмотрения остальных аспектов.

Состояние системы и смена состояний служат для описания

и т. д. Море может переходить из одного состояния в другое при перемене погоды. Состояние корабля как источника звука характе­ ризуется его ходовым режимом и связанными с ним вибрациями механизмов, корпуса, вращением винта, создающими подводный

8

звук, явлением обтекания и другими процессами. Смена состояний получается при изменении ходового режима или изменении состоя­ ния моря.

Из этих примеров видно, что состояние системы обладает чертами стационарности: оно сохраняется в течение некоторого промежутка времени. Так, при постоянстве ходового режима, при постоянстве гидроакустических условий моря излучаемый кораблем подводный шум стационарен. Однако стационарность не означает отсутствия изменений: это постоянство «im Grofien» (в большом). При оценке балльности вовсе не утверждается, что высота волны и сила ветра имеют такие-то фиксированные значения: балльность— это среднеста­ тистическая характеристика, получаемая статистическим подсчетом высоты волн, силы и направления ветра. Только в самых простых случаях состояние системы не носит случайных черт. Таковы состоя­ ния «простых» систем (струны, стержня, пластинки), которые описы­ ваются классической теорией акустики, хотя и при их рассмотрении применяется статистика: наличие шума уже требует статистического подхода.

Перейдем теперь к математическому выражению системы и ее состояния. Любую систему можно обозначить «словом», под которым понимается совокупность самых различных знаков («букв»); отдель­ ная «буква» тоже есть «слово». Как легко видеть, «слово» понимается обобщенно: это может быть число, таблица, формула или слово какого-либо языка. Система, обозначенная каким-либо «словом», может быть закодирована с помощью другого «слова»: когда говорят, что корабль А совершает эволюции по отношению к кораблю В, буквы А и В служат кодами этих кораблей.

Для математического обозначения состояния следует учитывать, что состояние системы может изменяться и что одно состояние может накладываться на другое, причем получается новое состояние. Необ­ ходим выбор специального словаря, который мог бы выразить эти свойства состояния. В математике соответствующий аппарат известен: это—векторы. Если состояние системы представить вектором, то пере­ ход от одного состояния к другому, наложение состояний можно выразить сложением векторов, а результатом сложения будет тоже вектор.

В каком пространстве и как строятся векторы состояний? Век­ торы состояний не должны различаться по длине; точнее говоря, длина вектора состояния не должна иметь значения. Действительно, нельзя утверждать, что одно состояние больше или меньше другого, — мера длины неприменима к обозначению состояния.

Современная физика дает указание, к какому пространству следует отнести векторы состояний: это пространство Гильберта. Оно имеет бесконечное количество измерений и является комплекс­ ным. При изменении состояния вектор состояния в этом бесконечно­ мерном пространстве изменяет свое направление, изменение же длины вектора не влияет на состояние. Все векторы состояний исходят из начала координат. Комплексность пространства про­ является в двойственности, которая выражается в том, чта.имеется

9