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

объектов, размеры которых меньше длины волны, их форма не имеет существенного значения для акустического поля. Это положение в из­ вестной степени справедливо для дальнего поля, но не для ближнего.

При описании инфразвука и инфразвуковых полей особое зна­ чение приобретает ближнее поле и его микроструктура. Эта микро­ структура очень сложна и ее описание должно осуществляться методами конструктивной теории.

Можно указать много параллелизмов между инфраакустикой и низкочастотными электромагнитными колебаниями при морских условиях. Источниками помех служат как береговые базы, так и морские шумы. Судно является источником собственных инфра­ звуковых помех (так же как и электромагнитных), которые препят­ ствуют приему с борта слабых внешних инфразвуковых сигналов. Существуют и атмосферные инфразвуковые помехи: грозовые раз­ ряды, вызывающие атмосферики, создают также инфразвуковое излучение.

Первыми искусственными излучателями инфразвука, предназна­ ченными для инфразвуковых измерений, являются инфразвуковой ротор и пульсирующая сфера [74].

Инфразвуковой ротор представляет собой звукомягкий шар S, связанный с вращающимся диском (рис. 6.1). В первоначальной конструкции в качестве шара служил укрепленный на пальце фут­ больный мяч, положение которого можно было фиксировать по прорези диска, насаженного на ось мотора. Вращаемый шар является ротором-излучателем, радиус которого можно изменять, перемещая палец.

Возникновение звука происходит из-за распределенных по окруж­ ности переменных периодических сил. Этот источник звука можно уподобить рамке как источнику электромагнитного поля низкой частоты. Шар, движущийся по орбите, является аналогом пере­ менного тока, питающего рамку. Возникающее поле звуковых

и излучатель-ротор.

Частота вращения излучателя-ротора составляла от 10 до 15 об/с, причем на этих частотах излучались интенсивные инфразвуковые поля. Были проведены измерения инфразвуковых давлений в поме­ щении и на открытом воздухе как в ближней зоне, так и на расстоя­ нии, большем по сравнению с длиной волны (300 м). В технике инфразвуковых измерений излучатель-ротор, допуская удобную смену частоты и акустического момента, может приобрести такое же значение, как рамка с током.

143

Под акустическим моментом М понимается произведение окруж­ ной скорости v шара на площадь его сечения о и площадь окружности (орбиты вращения):

М = vos.

Эта формула может быть принята в качестве определения акусти­

ческого момента.

Другим элементарным источником инфразвука служит пульси­ рующая сфера (см. § 5.2). Описанный в работе [77 J источник инфра­ звука типа пульсирующей сферы состоит из большой оболочки (от шара-пилота), раздуваемой путем нагнетания воздуха, причем воздух поступает от компрес­ сора через периодически дейст­ вующий прерыватель (рис. 6.2).

При прерывании на инфразвуковой частоте пульсирующий шар создает инфразвуковое поле. Этот излучатель можно

Рис. 6.2. Инфразвуковой излучатель — пульсирующая сфера (а) и ее экспери­ ментальный макет (б).

сопоставить с шаром-индикатором инфразвука, примененным Шулей­ киным [119], по отношению к которому он служит обращенным преобразователем.

Если направленность излучателя-ротора, обладающего акусти­ ческим моментом, является восьмерочной (косинусоидальной), то излучение пульсирующего шара не направленно. Пульсирующий шар как источник инфразвука представляет собой исходную модель для некоторых других типов источников инфразвуков, причем источников большой мощности. В работе [126] предложен пневма­ тический источник, периодически выпускающий сжатый воздух в воду, что эквивалентно пульсирующей сфере. Описан также ва­ риант с периодическим выпуском сжатого воздуха внутрь сфери­ ческого баллона, обладающего упругими стенками. Этот источник является повторением источника инфразвука типа пульсирующей

того же типа. Винтовой компрессор, расположенный в прочном корпусе, подает сжатый воздух в излучающую камеру с гибкой оболочкой через кран-ротор; произведение частоты вращения ротора на число отверстий определяет частоту вынужденных колебаний

144

оболочки. Клапанная система обеспечивает постоянный отсос воз­ духа во внутреннюю полость прочного корпуса, где тем же компрес­ сором создается разрежение. Перепад давлений составляет около 1,5-105 Па. Винтовой компрессор работает от электродвигателя мощ­ ностью 35 кВт. Излучатель опускается на глубину до 100 м. На рис. 6.3 приведены результаты измерения звукового давления на расстоянии 1,4 м от излучателя при глубине погружения 30 м, а также акустические мощности излучателя, выраженные в киловаттах. Как видно из рисунка, этот гидропневматический излучатель может излучать на инфразвуковых частотах 8—20 Гц акустическую мощ­ ность — 0,5 кВт. В диапазоне низких звуковых частот от 40 до 80 Гц излучается мощность—1,5 кВт; здесь частотная характеристика

О 20 00 60 SO 100 120 т 160 f,rn

Рис. 6.3. Характеристики гидропневматического излу­ чателя.

имеет равномерный участок. Звуковое давление в диапазоне 8—20 Гц достигает 6-103 Па, а в диапазоне 40—80 Гц— значения 101 Па. Коэффициент нелинейных искажений на частоте 80 Гц не превы­ шает 7%.

Источники инфразвуков на частоту 7 Гц описаны в [142]. Общий интерес возбудил тот факт, что мощные инфразвуки, особенно инфра­ звуки частотой 7 Гц, оказывают вредное физиологическое действие на организм человека, что связывают с совпадением указанной частоты с частотой альфа-ритма мозга человека. В данной работе использованы излучатели типа свистков и сирены. Они достаточно громоздки; например, инфразвуковая труба имеет длину 24 м и диа­

метр 1,5 м.

Перейдем к приемникам инфразвука. В последней из упомянутых работ для приема инфразвука был использован конденсаторный микрофон с мембраной большой площади. В качестве приемников инфразвука могут также применяться электродинамические и пьезо­ электрические микрофоны. В настоящее время по данным каталогов равномерная частотная характеристика высококачественных изме­ рительных микрофонов вообще простирается в сторону инфразвуко-

вых частот до 10—20 Гц. Специальные инфразвуковые микрофоны обладают равномерной характеристикой до 1 Гц.

Методы инфразвуковых измерений, применяемые при испытании инфразвуковых микрофонов, в сущности, ничем не отличаются от методов обычных акустических измерений. Для калибровки микро­ фонов на инфразвуках особенно удобен давно известный пистонфон с малой камерой. В пистонфоне камера образует объем, в который выходит колеблющийся поршень, задавая в камере нужное пере­ менное давление. К камере же примыкает мембрана испытуемого инфразвукового микрофона. Так осуществляется калибровка инфразвукового микрофона по давлению.

Возникает вопрос: как следует относиться к довольно старым методам приема инфразвука, например, с помощью резонатора Гельм­ гольца, механического осциллографа? Они применялись для обна­ ружения и локализации взрывов, выстрелов орудий и т. д. В извест­ ной мере они сохраняют свое значение и теперь.

Резонатор Гельмгольца представляет собой полость, соединен­ ную с внешним пространством узкой трубкой. Собственная частота резонатора, если пренебречь поправками, выражается формулой

где с0 — скорость звука; V — объем резонатора; k — проводимость устья, равная k = 5/7, причем S —■сечение, а I — длина трубки. При небольших размерах резонатора подбором величин V, 5 , 1 можно настроить его на достаточно низкую частоту. Применялся резонатор Гельмгольца цилиндрической формы с термофоном в качестве пре­ образователя колебаний, вмонтированным в устье резонатора, где амплитуда колебаний максимальна.

Механический осциллограф представляет собой мембранную систему, связанную с приемной камерой-ондулятором; мембрана приходит в механическое движение при падении инфразвуковой волны. Колебания мембраны регистрируются пером или лучом света, посылаемым зеркальцем, связанным с мембраной.

Применяются также сейсмические приборы.

§ 6.2. АНАЛИЗ И РЕГИСТРАЦИЯ ИНФРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Спектральный анализ инфразвуков большей частью выполняется с помощью спектрометров инфразвуковых частот, в которых спек­ тральное разделение входного сигнала производится системой па­ раллельно соединенных третьоктавных полосопропускных фильтров, перекрывающих полосу частот от 2,5 Гц и выше. Отфильтрованные напряжения выпрямляются и через механический вращающийся коммутатор подаются на электронно-лучевую трубку, давая верти­ кальные стробы, причем высота столбиков служит мерой спектраль­ ной плотности звукового давления в децибелах.

Спектрометр инфразвуковых частот принципиально не отли­ чается от спектрометров звуковых и ультразвуковых частот.

146

Анализируемый инфразвуковой сигнал подается или непосред­ ственно с инфразвукового микрофона (гидрофона), или с предвари­ тельной магнитной записи. Микрофон применяется пьезоэлектри­ ческий или конденсаторный (инфразвуковой микрофон), причем для усиления служит усилитель инфразвуковых частот. Сигнал оце­ нивается в децибелах, за нулевой уровень принимается 2-10~5 Па.

Для инфразвукового анализа применимы также более сложные устройства, уже описанные в § 2.4, а именно: анализатор спектра в реальном времени, а также сцептрон с использованием аналоговых преобразователей и ЭЦВМ. Все то, что изложено в § 2.4 примени­ тельно к спектроскопии низкочастотных электромагнитных излу­ чений, может быть повторено и здесь. Разница состоит лишь в том, что для инфразвуковой спектроскопии частотный диапазон лежит ниже (и, конечно, использован иной приемник).

В настоящее время довольно распространен метод звукозаписи инфразвука с преобразованием частоты. Сигналы переводятся в слы­ шимую область и производится запись, а потом происходит возврат к прежним частотам путем замедленного воспроизведения звуко­ записи. Этот прием трудно одобрить из-за возможных искажений, особенно для нестационарных сигналов; во всяком случае его нельзя рекомендовать при измерениях. Вполне возможна запись инфра­ звуков в реальном темпе, если применять рассчитанные на низкие частоты магнитные головки.

Одним из способов использования инфразвуковой спектроско­ пии на море является анализ инфразвуковых подводных шумов, а также инфразвуков, излучаемых судовыми винтами и корпусом при вибрациях. Гребные винты судов являются излучателями инфра­

винта.

Винтовые компоненты подводного инфразвука хорошо выделяются и по ним можно судить об изменении ходового режима. Как мы уже говорили, исследование подводных шумов представляет собой инте­ ресную задачу гидроакустики, имеющую значение для навигации,

связи и рыбного промысла.

Применение конструктивного анализа вносит в вопросы инфра­ звукового анализа некоторые новые черты. Могут быть построены инфразвуковые сегменты, исходя из распределения дискретных составляющих и сплошных участков инфразвукового спектра. Спектральные уровни могут заменяться цифрами, а спектр — выра­ жаться числом, порядок которого зависит от числа спектральных полос. Дискретные компоненты характеризуются резкими выбро­ сами, а сплошные — более монотонным изменением цифр в соседних

разрядах.

Сегментация тут несколько усложняется именно из-за наличия дискретных компонент, для которых существенным является абсо-

148