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

моря. В водной проводящей среде модуль комплексной диэлектри­ ческой проницаемости | е*1 велик и фазовая скорость v будет значи­ тельно меньше, чем в воздухе:

меньше будет и длина волны к =

Вблизи поверхности внутрь поглощающей среды будет распро­ страняться волна, которую ввиду относительной малости длины волны в морской воде практически можно считать плоской, распро­ страняющейся по нормали вниз. Вообще говоря, эта волна не пло­ ская, но радиус ее кривизны велик по сравнению с длиной волны и глубиной проникновения (глубиной, на которой напряженность поля уменьшается в е раз). Рассматривая волну, затухающую в хо­ рошо проводящей среде, как плоскую, можно использовать известное соотношение, выражающее перпендикулярность векторов напряжен­ ностей электрического и магнитного полей. Со стороны проводящей среды у границы сред имеем

&2 и р,2— комплексная диэлектрическая и магнитная проницаемости этой среды.

Поскольку при переходе через границу тангенциальные соста­ вляющие Е и Н должны изменяться непрерывно, тем же самым

Измерение уровней напряженности магнитного поля звуковой частоты производят с помощью измерительной рамки, чувствитель­ ность которой известна. Измерительная рамка представляет собой круглую катушку с числом витков N и средним радиусом R. Пло­ щадь, ограниченная этой рамкой, равна 5 = n R 2.

Согласно закону индукции Фарадея в рамке возникает э. д. с. индукции, связанная с изменением магнитного потока Ф соотноше­ нием

Если магнитное поле обладает индукцией В, то поток магнитной индукции Ф, пронизывающий рамку, будет равен Ф = NBS, от­

магнитная постоянная, Я — напряженность магнитного поля. Для

т. е. разности потенциалов на разомкнутых концах катушки. Если катушка подключена к достаточно большому омическому сопроти­ влению, то эта э. д. с. будет входным напряжением.

Частотная характеристика рамки не является равномерной: чувствительность, под которой надо понимать отношение э. д. с. индукции к напряженности магнитного поля

будет изменяться пропорционально круговой частоте со поля. Для того чтобы рамочный приемник обладал равномерной частотной характеристикой, в усилителе необходимо предусмотреть коррекцию; частотная характеристика усилителя должна представлять собой кривую, спадающую по закону 1/со.

Приведенная элементарная теория является практически доста­ точной, но более детальное рассмотрение требует учета влияния толщины катушки, ее ширины, емкости, характера намотки и т. д. При этом приходится применять поправки, которые, однако, не имеют существенного значения, если частотная характеристика скорректирована с помощью усилителя.

Измерительная рамка должна быть откалибрована. Для выполне­ ния калибровки рамку помещают в переменное магнитное поле известной напряженности и измеряют выходное напряжение усили­ теля. Измерение производят на различных частотах с целью построе­ ния частотной характеристики чувствительности. Если магнитное поле точно не известно, выполняют параллельное измерение, исполь­ зуя одновременно с исследуемой эталонную, заранее откалиброван­ ную измерительную рамку.

Градуировку рамки в воде и в воздухе можно осуществить с по­ мощью измерительного комплекса с ЭЦВМ. Такие измерения поз­ воляют определить частотную характеристику усилителя, необхо­ димую для оптимизации частотной характеристики рамки вместе с усилительным устройством.

Другой важной характеристикой рамки является амплитудная. К этой характеристике предъявляется стандартное требование, чтобы выходное напряжение изменялось линейно с изменением амплитуды напряженности магнитного поля. В этом случае чувстви­ тельность не зависит от амплитуды.

Нелинейные искажения оценивают величиной клирфактора, ко­ торый, как известно, равен отношению среднего геометрического амплитуд гармоник к амплитуде колебания основной частоты.

34

Равномерность частотной характеристики оценивают по откло­ нению в децибелах (например, ±0,5 дБ) от постоянного значения чувствительности в диапазоне от 50 до 5000 Гц. Линейность ампли­ тудной характеристики задается динамическим диапазоном, в кото­ ром чувствительность не выходит за установленные пределы. Клирфактор оценивается в процентах, например ставится требование, чтобы он был не выше &—5%.

Для калибровки измерительной рамки можно применить метод замещения, когда действие рамки сравнивается с действием эталон­ ного приемника поля, или метод взаимности, который в принципе

либровка рамки упрощается, если длина электромагнитной волны значительно больше размеров рамки.

Измерительная рамка используется в качестве входного устрой­ ства при различных измерениях и исследованиях низкочастотных электромагнитных полей. Такое входное устройство может быть подключено к электронному вольтметру, к логарифмическому усили­ телю, соединенному с записывающим устройством, к прибору, фиксирующему уровень поля; к спектроанализатору для спектраль­ ного анализа электромагнитного поля и т. д.

Приемная рамка может быть использована для зондирования поля в разных точках с целью нахождения его конфигурации. При­ менение системы фильтров позволяет исследовать частотное распре­ деление компонент. Приставными схемами могут быть различного рода регистраторы, трансляторы типа аналог — код'и другие устрой­ ства, предназначенные для измерения, наблюдения и регистрации сигналов звуковых частот.

§ 2.2. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СУДОВЫХ МЕХАНИЗМОВ

Если колеблющееся тело является носителем электрических зарядов, возникших благодаря трению, индукции, электрострикции или по другим причинам, то это тело будет источником электро­ магнитного излучения, поскольку всякое движение зарядов с пере­ менной скоростью вызывает появление электромагнитного поля. В этом случае, когда колеблющееся в магнитном поле тело пред­ ставляет собой проводник, в нем индуцируются переменные токи, дающие излучение. Колебания полупроводников и диэлектриков также обусловливают возникновение электромагнитного поля. Поле образуется- и благодаря различным гальваническим, термоэлектри­ ческим, электризационным, магнитострикционным явлениям, тепло­ вым флюктуациям. Оно возникает не только при колебаниях, но и при единичных толчках или последовательных импульсах. Любые механические движения также создают электромагнитное поле.

На судне источником электромагнитного шума служат судовые двигатели, вспомогательные механизмы, насосы, вентиляционные системы, вращающиеся гребные винты и т. д. Когда и в какой мере

эти излучения заметны и существенны, можно выяснить только

в процессе измерений.

Классической теории излучения механизмов на сверхдлинных радиоволнах не существует. Благодаря значительной длине электро­ магнитных волн как в воздухе, так и в воде (несмотря на ее электро­ проводность) все относящиеся к этому вопросу задачи следует считать задачами ближнего поля, а такие задачи разработаны только для самых простых излучающих систем, например электрических и магнитных диполей. Решение этих задач осложняется тем, что из-за сложной конфигурации источников и судовых помещений, построен­ ных из материалов различной проводимости, конфигурации полей также очень сложны. Только на больших расстояниях от судна — источника электромагнитных волн для расчета поля может быть использована классическая электродинамика (см. гл. 3). Остается открытым вопрос относительно теоретических расчетов и измерений поля на самом судне и внутри судовых помещений. Для описания этих задач привлекается конструктивная теория.

Будем считать, что динамическая система, включающая источники электромагнитного излучения, т. е. судовые механизмы, способна находиться в различных состояниях, зависящих также и от гранич­ ных условий. Обозначим состояние вектором |Л > . Введем в рас­ смотрение набор динамических переменных, в качестве которых берутся операторы Р lt Р 2, Р 3, . . . Вектор состояния может быть представлен как пси-функция ¥ (Р{, Р'2 , Рз), зависящая от набора собственных значений этих операторов.

Различные состояния излучения судовых механизмов можно рассматривать как стационарные. Поэтому они соответствуют раз­ личным собственным значениям частот колебаний и амплитуд (напри­ мер, амплитуд напряженности магнитного поля) или энергии.

Если ф есть собственная функция, то имеет место уравнение

<Жф — £ф.

Здесь X — оператор полной энергии, или гамильтониан; Е — соб­ ственное значение энергии. Гамильтониан X включает в себя операторы, описывающие различные виды энергии: энергию механи­ ческих движений судового механизма, излучаемую акустическую энергию (энергию шума, вибраций) и энергию электромагнитного поля. Все составляющие существенно различаются порядком вели­ чин. Любой из перечисленных видов энергии можно рассматривать независимо от остальных. Таким образом, гамильтониан разбивается на две части, из которых одна имеет отношение к задаче, а другая нет. Это означает, что при решении задачи определения электро­ магнитного поля в судовом помещении можно ограничиться только теми процессами, которые создают это поле, а именно действием переменных токов и движущихся зарядов. Данная задача (по крайней мере в течение ряда последовательных интервалов времени) есть задача на определение стационарных состояний и нахождение спектра собственных значений частот и амплитуд для этих состояний. Частотно-амплитудные спектры излучения можно поэтому рассма­

36

тривать как спектры некоторого электромеханического преобразо­ вателя, находящегося в указанном объеме. Решением задачи являются волновые функции вида

где У — шаровая функция.

Простейшим преобразователем может быть рамка с током. Пере­ менный ток, идущий по обмоткам, создает излучение. Такой излу­ чатель описывается волновой функцией, содержащей полином Ле­ жандра первого порядка, т. е. дает такую пространственную конфи­ гурацию излучения, как диполь.

В итоге получается выражение, представляющее некоторую

Коэффициенты этого ряда находят исходя из условий задачи (вре­ менной фактор опущен).

Конструктивные измерения электромагнитного излучения судо­ вых механизмов требуют многоканального приема в разных точках поля, где располагаются приемные рамки. К рамкам присоединяется измерительный комплекс. Если электромагнитный шум стационарен и судно сохраняет определенный ходовой режим, параллельное измерение в разных точках можно заменить последовательным. В самом простом случае измерителем служит снабженный рамкой шумомер с переносным анализатором. Шумомер помещают в ряде точек, фиксируют уровни шумов поля и производят спектральный анализ (см. § 2.3). Система электромагнитных датчиков — измери­ тельных рамок нужна для того, чтобы определить конфигурацию поля или тип источника.

Если рассматривать источник как сферический, поле которого обладает различным видом симметрии в зависимости от номера сферической гармоники, то о порядке мультиполя можно судить по его направленности. Для мультиполя нулевого порядка (п — 0) источник не направлен и поле будет симметричным. Распределенные в пространстве рецепторы это покажут. Для мультиполя первого порядка (п = 1) источник обладает косинусоидальной направлен­ ностью (это диполь), что может быть установлено измерениями. При п = 2 имеет место квадруполь и направленность представляет собой направленность двух скрещенных диполей и т. д.

Распределение датчиков в пространстве должно подчиняться некоторым условиям. Размеры датчиков г должны быть малы по сравнению с расстоянием между ними d, а последнее должно быть значительно меньше длины волны \ 0:

г « d « V

При исследовании источника поля приемники должны равномерно со всех сторон окружать источник, но d > R, где R — размер источника.

37