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

мощью которого построен образ. Пусть, например, искомый образ дает некоторую двухмерную фигуру, изображающую распределение звуковых давлений в плоскости, проведенной в звуковом поле. В зависимости от значений звукового давления в разных точках могут быть построены линии постоянного давления, рисующие конфигурацию поля. Сравнение с образами, входящими в алфавит G(., той реализации А, которая получилась на плоскости, может поз­ волить установить образ. Так, в случае точечного источника в не­ ограниченной среде образ может быть представлен семейством кон­ центрических окружностей, при прохождении плоской волны — рядом эквидистантных прямых (рис. 1.4). Для того чтобы эти образы

были измерительными, необходимы указания относительных зна­ чений параметра (в данном случае звукового давления) на получен­ ных кривых. Для случая концентрических окружностей значение параметра должно убывать обратно пропорционально расстоянию от центра; для случая плоской волны оно должно оставаться постоян­ ным, а при наличии затухания — падать с расстоянием. Здесь имеется в виду относительное значение; абсолютное же значение давления, измеренное в некоторой точке, позволяет установить масштаб.

Следует расширить понятие образа за счет введения количествен­ ных характеристик. Ввиду случайного характера конструктивных измерений числовые значения могут быть даны приближенно, так же, как и сама форма, рисующая образ.

Приобретает значение такое аналого-цифровое преобразование, которое дает в цифрах картину образа. По ней могут быть построены линии постоянного давления, одинаковых скоростей и т. д. Эти цифровые «картины» получаются в результате геометрических ана­ лого-цифровых преобразований по некоторым реперным точкам, в которых измерены соответствующие величины.

28

ГЛАВА 2

РАДИОИЗМЕРЕНИЯ НА СУДАХ

§2.1. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТН ЫЕ ПОЛЯ

ИИЗМЕРЕНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ

Для измерения электромагнитных полей применяют приборы, включающие в себя две части: приемник и измерительную систему. В приемник входят приемная антенна и преобразователь сигнала; измерительная система может иметь различное устройство в зависи­ мости от цели измерений. Приемник, выбираемый соответственно диапазону длин электромагнитных волн, является стандартным.

При работе в области сверхдлинных волн, а именно в области звуковых частот (от 50 Гц до 20 кГц), в качестве приемника может быть взята рамка (катушка), а измерительными системами служат шумомеры, анализаторы, индикаторы уровней, стрелочные и цифро­ вые спектрометры и т. д.

В диапазоне сантиметровых радиоволн используется прием­ ник СВЧ с антенной (концентратором типа зеркала, рупором и т. д.) и преобразователь сигнала, обладающий низкочастотным выходом. С таким приемным устройством могут сочетаться перечисленные выше измерительные системы: шумомеры, анализаторы, измерители уровней и пр.

Обращаясь к задачам исследования и измерения электромагнит­ ных излучений морских судов, целесообразно выделить следующие области измерений в низкочастотном диапазоне электромагнитных колебаний. Во-первых, представляют интерес измерения электро­ магнитного излучения в судовых механизмах. Как известно, на судах имеется много источников электромагнитного излучения, из которох важнейшими являются энергетические системы и судовые механизмы. Источниками электромагнитного излучения могут быть двигатели и движители различных систем. Во-вторых, практическое значение имеют измерения электромагнитных помех, в том числе атмосферных радиопомех и помех от береговых источников. Атмо­ сферные помехи (атмосферики) обладают низкочастотными компо­ нентами; низкочастотные помехи создаются также береговыми базами и населенными пунктами.

Какие физические величины служат предметом измерений при исследовании электромагнитных полей? В первую очередь напря­ женности электрического (Е) и магнитного (Н) полей. В фундамен­ тальных уравнениях электромагнитного поля — уравнениях Максвелла — фигурируют также магнитная и электростатическая индукции, но последние могут быть выражены соответственно через Н и Е. Кроме того, уравнения связывают Е и //, так что при конструк­ тивных измерениях на море можно ограничиться измерением напря­ женности магнитного поля Н и определить, если требуется, вели­ чину Е по формулам.

29

Предметом измерений является также ряд коэффициентов,, характеризующих магнитные поля.

Рассмотрим некоторые положения теории электромагнитного поля.

Волновые уравнения для Н и Е, вытекающие из уравнений Максвелла для электромагнитных колебаний частоты со, имеют вид

причем е — ее вещественная часть; а — проводимость; а» — циклическая частота колебаний; е0 = 8,85 ■10“ 12Ф /м— электрическая постоянная; п и %— показатели преломления и поглощения среды;

п — комплексный показатель преломления; k0 — — , где с — ско­

рость света в пустоте.

Для однородной среды уравнения (2.1) переходят в следующие

Уравнение, которому удовлетворяет напряженность электри­ ческого поля, полностью совпадает с уравнением для напряженности магнитного поля. Следует указать, что относительная магнитная проницаемость при выводе уравнений принята равной р = 1, так как и в море, и в атмосфере р близко к единице. Кроме того, пред­ полагается отсутствие объемных зарядов.

Уравнения (2.3) являются векторными. Поэтому для составляю­ щих напряженности магнитного поля Нх, Ну, Нг (пусть система координат декартова) будут иметь место три уравнения:

У2НХ-f eklHx = 0;

У2Иу Д г k\Hу = 0;

y 2Hz 7 z k 20Hz = 0.

Каждое из них совпадает, как увидим далее, с волновыми уравне­ ниями для звука. Конструктивная теория приводит к аналогичным уравнениям Гельмгольца для операторов, которые можно вывести на основании общего формального правила, приведенного в § 1.1, как это делается, например, в работе [78].

30

Легко определить п и %, пользуясь выражением (2.2), записанным в виде

пг + 2n%i — X2 = е + i fcoW .

Отсюда х = 2е°шп' ВыДеляя вещественную часть с учетом найденного значения х> получаем

Рассмотрим процессы, происходящие на границе двух однородных сред: воздух — вода. Уравнения Гельмгольца (2.3) следует применить

ная составляющая напряженности электрического поля на гра­ нице ^для первой среды равна Ех1, а для второй Ех%.

31

Граничное условие будет иметь вид

Ех1 = Ех2 при z = 0.

Для тангенциальных составляющих напряженности магнитного поля имеет место аналогичное условие

Ну1 = Ну2 при z = 0.

В отличие от тангенциальных нормальные (вертикальные) соста­ вляющие испытывают при 2 = 0 скачок. Выполняются два условия:

Поскольку и диэлектрическая постоянная, и проводимость для воды значительно больше, чем для воздуха, вертикальная составляю­ щая напряженности электрического поля в воздухе гораздо больше, чем в воде. Имеем

в воздушной среде опережает по фазе вертикальную компоненту напряженности в водной среде на угол, фактически равный 90°,

в морской среде возникает разность фаз, близкая к 90°, и волна получается эллиптически поляризованной.

Представляет интерес случай падения неплоской электромагнит­ ной волны на бесконечную плоскость, изображающую поверхность

32