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

рассматривается с помощью осциллографа. Наблюдателю привычен образ синусоиды, и он на глаз может оценить степень монохроматич­ ности колебаний. Иногда его суждения более надежны, чем показа­ ния анализатора гармоник, если чувствительность последнего недо­ статочна для обнаружения малых искажений. Но определить коэф­ фициент искажений в процентах наблюдатель сможет только после обучения, тренировки.

По сути дела, здесь две методики измерений: первая, за которой прочно закреплен термин «измерение», основана на использовании прибора, позволяющего установить значение физической величины; для второй методики характерно изображение процесса, например получение осциллограммы или спектра.

В первом случае производят измерения, т. е. с помощью приборов отсчитывают (или потом находят, пользуясь градуировочными табли­ цами или графиками) значения физических величин. Второй случай, где тоже участвует человек-наблюдатель, принято относить не к из­ мерениям, а к наблюдениям. При этом фиксируется исследуемый процесс и обычно считают, что эта фиксация представляет не коли­ чественный, а качественный результат. Однако в свете современных данных второй случай следует относить тоже к измерениям, но дру­ гого стиля.

Как уже неоднократно подчеркивалось, новые взгляды на сущ­ ность и задачи измерений обусловлены современным развитием вычислительных машин и распространением конструктивных мето­ дов. Измерения все больше переходят «на рельсы» автоматики. Автомат заменяет и измерителя, извлекающего численные данные из данных наблюдения, и наблюдателя, следящего за процессом. Автомат, не делая разницы между наблюдением и измерением, превращает картины в столбцы цифровых результатов, а цифровые результаты — в образы. Вот почему осциллографирование, голо­ графия, визуализация приобщаются к измерениям.

С точки зрения конструктивной теории, образ определяется набо­

Переход от матрицы F к матрице, выражающей голограмму G, может быть задан схемой

PF = ||aiky ik|| + ||— bikWik||.

168

По правилам сложения матриц в результате сложения получится матрица, в которой каждый элемент имеет вид

Заметим, что матрицы в (7.5) не переместительны при сложении, операторная матрица (матрица предписаний) должна стоять справа!

В результате получилась новая картина, представляющая голо­ грамму и изображаемая матрицей с элементами Ьц^ п - Схема алго­ ритмов должна позволять осуществлять переходы aik<pik —* Ь1к^ и1. Это как раз такая схема, по которой строится программа ЭЦВМ, восстанавливающая изображение. Алгоритмы описаны в [78].

Пусть имеется последовательность голограмм Glt G2, G3, . . ., а также алфавит голограмм, который можно принять за эталонный. Алфавитов может быть много, что обусловлено различными клас­ сами явлений. Для данной задачи может быть составлен ограничен­ ный алфавит эталонов.

Возникает вопрос, можно ли классифицировать голограммы, не приведут ли малые искажения голограммы к существенным изме­ нениям картины при восстановлении. Этот вопрос является главным вопросом голографических измерений.

Введем вспомогательные образы или сегменты. Требования к сег­ ментации голограммы отличаются от требований к сегментации визуальных образов прямых изображений, т. е. изображений, не подвергнутых действию голографического оператора Р.

Для визуальных изображений сегменты должны быть более простыми по форме и легко различимыми. Во избежание сильных неконтролируемых отклонений при восстановлении изображений сегментация осуществляется в два этапа. Сначала должны быть найдены такие упрощенные и типичные голограммы, которые при­ водят при восстановлении к определенным изображениям. Затем голограммы могут быть разбиты на сегменты, удобные для различе­ ния на глаз (или автоматически). Двойная сегментация может быть выражена на двойном алгоритмическом языке, подобно машинному переводу.

Экспериментальные данные здесь отсутствуют. Поэтому прежде всего стоит задача голографических измерений, которые заклю­ чаются в установлении зависимости между голограммой и оригиналь­ ным изображением. Остановимся на методике таких измерений в об­ ласти ультразвука.

Опорную волну можно заменить электрическим сигналом, пода­ ваемым от генератора в самой приемной схеме. В результате сложе­ ния сигнала, поступающего с приемника ультразвука, и этого элек­ трического сигнала воспроизводится эффект интерференции волн: волны предметной (рассеянной предметом) и опорной. Применение линейного приемника позволяет разделить процесс и сначала зареги­ стрировать рассеянную волну, т. е. отдельно зафиксировать голо­ грамму, а потом уже сложить рассеянную волну с опорной.

Для осуществления приема в некоторой плоскости в пределах растра, где построено латентное (скрытое) акустическое изображение

голограммы, необходимо или сканирование с помощью приемника ультразвука, или электрическое сканирование. Для низкочастотной ультразвуковой голографии применяются пьезокерамические пре­ образователи и ультразвуковые гидрофоны.

Использование пьезоэлектрической мозаики может избавить от необходимости производить механическое сканирование, хотя элек­ тронное сканирование остается. Однако пьезоэлектрические мо­ заики мало применимы для низких частот ультразвука. Для голо­ графии в области низкочастотного ультразвука требуется сравни­ тельно большой объем пространства и большие площади, в которых происходит сканирование рассеянного предметом звука. Минималь­ ный объем пространства, в котором происходят волновые процессы, должен расти как Я2, где К— длина звуковой волны. При ориенти­ ровочных оценках следует учесть, что размеры предметов, рассеи­ вающих звук, должны быть того же порядка, что и размеры корпуса. Для низких частот латентное ультразвуковое изображение доста­ точно велико, и для его приема неудобно ни электрическое, ни меха­ ническое сканирование; непригодна и пьезоэлектрическая мозаика. Здесь должна составляться решетка из ультразвуковых приемников (пьезоэлектрических, магнитострикционных или других типов).

Для построения гистограммы сегментов масштабы могут быть уменьшены с использованием повышенных частот. Целесообразно строить голограммы на макетах меньших размеров, пользуясь мега­ герцевым диапазоном ультразвука (моделирование, воспроизведение явлений в малых масштабах с соблюдением требования подобия при транспонировании). В подводной акустике роль моделирования та же, что и в акустике помещения, где акустическое моделирование кон­ цертных залов, кинозалов, театральных помещений вошло в прак­ тику. Для изучения сегментации голограмм должны быть исполь­ зованы предметы простых геометрических форм (шар, куб, цилиндр, прямоугольник, эллипсоид и т. д.) и изучены голограммы данных объектов. Это дает алфавит первичных сегментов. Далее каждый первичный сегмент подвергается вторичной сегментации по форме. Таким образом получается иерархическая система сегментации, имеющая структуру ветвящегося древа,

§ 7.2. ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ШУМОВ ПОД ВОДОЙ

Подводные шумы океана имеют естественное или искусственное происхождение. К естественным причинам шума относятся волне­ ние моря, прибой, тепловые эффекты, морские животные; к искус­ ственным — суда, береговые базы, работа сторонних гидроакусти­ ческих систем.

Тепловой шум особенно значителен для больших глубин и глав­ ным образом в области низких частот ультразвуков. Шумы вызы­ ваются также глубинными волнами в океане, течениями, кавитацион­ ными процессами.

Ниже крейсерской скорости подводный шум корабля обусловлен в основном работой вспомогательных механизмов, причем звук

1 7 0

передается через корпус. Если корабль имеет скорость, которая пре­ вышает крейсерскую, то главным источником подводного шума слу­ жит кавитационный шум винтов. Изменение давления, которое полу­ чается за движущимся телом, может быть выражено так:

где С — коэффициент, зависящий от формы тела; р — плотность жидкости; и — скорость движения тела в жидкости. Если раз­ ность р — Ар приближается к парциальному давлению пара в воде, происходит кавитация; энергичное зах­ лопывание полостей создает шум. Про­ цесс носит случайный характер, спектр шума занимает очень широкую частот­ ную полосу. Известно также, что глубина очень сильно влияет на кави­ тацию.

Винты могут создавать и тона вих­ ревого происхождения: это пение вин­ тов. Для звука вихревого происхожде­ ния характеристикой служит число Струхаля

ловлен воздействием на гидрофон коле­ баний давления, которые происходят в турбулентном потоке.

Псевдозвук локализован и практически не распространяется в окружающую среду.

Шум моря вызывается или физическими явлениями (волнение, дождь и т. п.), или биологическими эффектами (шум рыбных кося­ ков), или движением кораблей. Дождь может вызвать увеличение шума до 15—25 дБ в диапазоне слышимых и низких частот.

Подводный шум океана обладает направленностью (рис. 7.5). Шум, создаваемый пузырьками, имеет направленность как по ази­ муту, так и по углу места, причем направленность зависит от глу­ бины. Направленность по азимуту имеет максимум перпендикулярно

171