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

г

\

I

К

I

*

V

§ 5.4. КОНСТРУКТИВНЫЙ АНАЛИЗ ПОДВОДНЫХ ШУМОВ

Анализ звука — это одна из быстро развивающихся областей акустических измерений. Сущность анализа состоит в представлениях сложного сигнала через сигналы, принимаемые за элементарные. Наиболее важным является представление в трехмерном пространст­ ве, где координатами являются частота (/), амплитуда (А) и время (Г). Трехмерное построение сигнала в этом пространстве есть результат его частотно-амплитудно-временного анализа. Такое представление приводит к акустическим спектрам.

задаваемых интервалах времени, частоты, амплитуды. Эти интервалы можно обозначить AT, Af и ДА. Их можно назвать временами кванто­ вания, частотами квантования и амплитудами квантования. В пре­ делах этих интервалов (с соответствующей точностью) можно гово­ рить о значениях времени, частоты, амплитуды.

Если ограничиться задачей частотно-амплитудного спектраль­ ного анализа, то акустический спектр можно определить как зависи­ мость амплитуды колебания от частоты; эта зависимость относится к достаточно малому времени квантования. На рис. 5.11 предста­ влены частотно-амплитудные спектры (вообще говоря, переменные) различных видов. Особый интерес представляет форма огибающей спектра; она тоже может изменяться во времени, сохраняя в среднем свой вид за время квантования.

Конструктивная теория вносит определенный вклад в понимание сущности анализа звука. Классическое определение анализа как разложения по гармоническим составляющим (с помощью ряда Фурье или интеграла Фурье) является, вообще говоря, недостаточ­ ным. Гармоническое колебание типа £ = A sin 2яft не может соот­ ветствовать никакому реальному сигналу; только колебания беско-

138

нечной длительности дали бы такой однолинейный спектр. Неправо­ мерно и представление сигнала как набора гармонических колебаний. Эти соображения относятся и к случаям временного спектра, и к слу­ чаям клиппированного представления сигнала.

Принцип потенциальной осуществимости требует использования только таких понятий, которые соответствуют процессам, могущим быть реализованными на практике. Поэтому вместо бесконечно тонких слоев в пространстве сигнала вводятся слои, толщины кото­

В качестве примера можно привести анализаторы звука— спектро­ метры, исполненные по схеме, впервые предложенной Фрейштедтом и в дальнейшем значительно усовершенствованной. Эти спектро­ метры обладают следующей общей схемой. Сигнал попадает на систему параллельно действующих полосопропускных фильтров, перекры­ вающих рабочий частотный диапазон. После фильтрации составляю­ щие сигнала детектируются и фиксируются на экране электронно­ лучевой трубки, причем при употреблении одного луча необходим поочередный съем выходных напряжений с каналов путем быстрой коммутации. Возможно автоматическое выражение выходных кана­ лов цифрами (анализатор с цифровым отсчетом). Последний вариант очень близок к устройству для ввода данных спектрального анализа в ЭЦВМ. Во всех этих схемах отчетливо видна роль и квантования по времени (чередование, смена кадров, смена наборов цифр), и кван­ тования по частоте (полосы пропускания фильтров, например третьоктавных фильтров), и квантования по амплитуде (превращение уровней напряжения в дискретные цифры). На рис. 5.12 представлены некоторые акустические спектры подводных шумов судов, получен­

сделаны записи шумов на море, причем подводные шумы судов, со­ вершающих эволюции (прямые прохождения и циркуляция вокруг корабля-наблюдателя), воспринимались на измерительный гидро­ фон и записывались на магнитофонную ленту. Результаты спектраль­ ного анализа таких записей, полученных для судов рыбопромысло­ вого флота на Каспийском море, представлены на рисунке. О кванто­ вании по частоте свидетельствует ширина столбиков, соответствую­ щих диапазону частот, пропускаемых третьоктавным фильтром; масштаб частот логарифмический. Высоты столбиков, соответствую­ щие звуковым давлениям в децибелах, также подлежат дискретному отсчету. Здесь масштаб также логарифмический, звуковое давление измеряется в децибелах. Наконец, коммутация или период фикса­ ции спектра определяет время квантования.

Кроме указанных способов спектрального представления акусти­ ческих сигналов существуют многие другие. В конструктивном анализе за основу могут быть взяты самые различные характеристики, описывающие признаки или некоторые кодирующие символы, кото­ рые имеют иногда довольно отдаленное отношение к спектральным изображениям. В качестве одного из примеров признаков этого

139

для автоматического распознавания время значительно сокра­ щается. Предел уменьшения АТ определяется временем, необхо­ димым для того, чтооы установилась форма огибающей спектра сегмента. Если спектральные реализации отходят от эталонов, устанавливается ближайший сегмент: каждая реализация должна получить обозначение определенного сегмента.

Эта процедура напоминает процедуру записи слов с помощью ограниченного алфавита букв. Хотя при произношении фонем,

отдельные сегменты могут многократно повторяться. Тогда осу­ ществляется возможность оценивать этот состав по частоте появле­ ния тех или иных сегментов. Конструктивным спектром акусти­ ческого сигнала (например, подводного шума судна определенного типа при данном ходовом режиме) называется распределение плот­ ности вероятности сегментов, или гистограмма сегментов.

В качестве примера можно привести гистограмму, изображенную на рис. 5.13, где сегменты обозначены порядковыми номерами. Для этого сигнала чаще всего появляется сегмент 1, затем сегмент 5, реже — сегмент 6 и т. д. Для простоты эту гистограмму можно обозначать цифрами /—5 (символами сегментов, наиболее вероят­ ных), причем писать сегменты в порядке уменьшения плотности вероятности. Как показал опыт, этого оказывается достаточно для классификации подводных шумов. Таблицы сегментов подводных шумов приведены в [80].

ГЛАВА 6

ИНФРАЗВУКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

§ 6.1. ИНФРАЗВУКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ИХ ИСПЫТАНИЕ

Медленно, но неуклонно возрастает роль и значение инфразвуков; можно даже говорить о рождении инфраакустики и инфразвуковых измерений.

В области инфразвука еще не установились многие термины и понятия, в том числе и названия диапазонов частот. Следует счи­

141

тать инфразвуковыми колебаниями частоты ниже 16—20 Гц. Обособ­ ленную область составляют инфразвуки с частотами менее 1 Гц;

ееможно назвать диапазоном «дробных герц».

Динамика инфразвуковых колебаний занимает в акустике такое же

место, как электродинамика сверхдлинных волн в радиотехнике. Сходны и методы измерений. Существует близость в происхождении и роли помех. В морских условиях роль электромагнитных помех низких звуковых частот настолько велика, что они затрудняют прием низкочастотных электромагнитных сигналов, несущих полез­ ную информацию, исключая специальные радиопередачи на сверх­ длинных радиоволнах. Роль инфразвукового фона, который всегда присутствует в морских условиях, тоже велика. Он затрудняет прием и измерения инфразвуковых сигналов, несущих полезную информацию. Исключение составляют специальные мощные инфразвуковые передачи в подводной акустике, обеспечивающие передачу сигналов на значительные расстояния.

При обтекании потоком препятствий периодически срываются вихри и происходит образование инфразвука, частота которого может быть найдена по формуле Струхаля:

где k — число Струхаля; v — скорость потока; d — поперечный размер препятствия. Сказанное относится также к водной среде и водным потокам.

Источниками собственных шумов инфразвукового диапазона на судне служат палубные надстройки, мачты, снасти при движении судна или при ветре, вращение гребных винтов, движение корпуса в воде.

Море также является источником инфразвукового шума, осо­ бенно во время волнения, когда воздушные массы, несущиеся с боль­ шой скоростью, взаимодействуют с волнами. Отсюда известный «голос моря», открытый В. В. Шулейкиным еще в начале 30-х го­ дов [119]. Оказалось, что колеблющийся на инфразвуковых часто­ тах надутый шар-зонд может служить предвестником наступления шторма: он воспринимает инфразвуки, порождаемые штормом, которые, распространяясь со скоростью звука, значительно опе­ режают бурю.

Искусственные источники инфразвука обычно вихревого типа тоже основаны на прерывании или модуляции воздушных или вод­ ных потоков.

Теория инфразвукового поля основана на волновом уравнении (5.1), которому подчиняются физические величины: звуковое давле­ ние, сжатие, колебательная скорость, температура. Но здесь, как и в электродинамике низких частот, волновое уравнение в ряде случаев переходит в уравнение Лапласа

V2p = 0.

142