книги из ГПНТБ / Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике

Измерив указанные э. д. с., заменим источник Г на обратимый преобразователь ОП, оставляя М на старом месте (см. рис. 5.7). После

вышеуказанное расстояние между источником и приемником, а А —

ление зависимости его чувствительности от частоты. Задачей метода взаимности является нахождение чувствительности

ОП и чувствительности М, причем микрофон (гидрофон) вовсе не должен быть обратимым. Чувствительность преобразователя звука, которую мы обозначим через М 0, есть отношение напряжения холостого хода к звуковому давлению в свободном поле:

Обратимся к первому этапу процедуры метода взаимности, когда источником звука служит система Г и действию звука подвергаются обратимый преобразователь ОП и микрофон М. Отношение чувстви­ тельностей обратимого преобразователя и микрофона равно отно­ шению соответствующих напряжений холостого хода:

Перейдем ко второму этапу процедуры описываемого метода. Звуковое давление в точке приема, где находится микрофон, может быть обозначено как

где а — радиус излучателя; D — коэффициент, равный отношению звуковых давлений на закрепленной диафрагме и в свободном поле. Кроме того, введем выражение для характеристики преобразователя как излучателя звука

в котором справа находится отношение звукового давления р 1У усредненного по колеблющейся поверхности (диафрагме) преобразо­ вателя, к питающему его току гт. Отсюда имеем

130

и, кроме того, из (5.33) получаем

что представляет собой отношение напряжения холостого хода, вызванного звуком, обладающим звуковым давлением р, к этому звуковому давлению. Отсюда

Принцип взаимности в формулировке, данной еще Гельмгольцем, гласит, что «звуковое давление в точке 2, производимое источником, находящимся в точке 1, равно звуковому давлению, производимому в точке 1 источником звука, находящимся в точке 2». При этом должны быть уравнены силы или производительности источников. Если же они (эти производительности) или электрические токи, их вызы­ вающие, не равны, то в соответствующем отношении изменяются звуковые давления.

Считая источник звука точечным, можно применить (5.14) и положить

131

Под корнем стоят все измеряемые или известные величины.

Рассмотрим калибровку методом взаимности в камере. Пусть два звукоприемника, которые под­ чиняются принципу взаимности,

связаны через полость или камеру, имеющую объем V (рис. 5.8). Если размеры камеры считать малыми по сравнению с длиной волны, то акустическое сопротивление камеры будет равно

7 ._ УРо

m V ‘

Звуковое давление определяется выражением р — yp0s, где s — сжатие, равное

Звуковое давление на преобразователе 2, которое производилось источником 1, т. е. р 2, равно звуковому давлению на преобразова­ теле 1, производимому источником 2, т. е. р х. Если токи (или произво­ дительности источников, или объемные колебательные скорости) не равны, то в соответствующем отношении изменятся звуковые давления:

Ра

Pi

132

Так как U Л^1/ 1, то, подставляя эту величину в (5.46), получим

vpqM H V i

(^0)2 — m V

т. е.

MxMt = i®V (е0)2

YPo^i

Таким образом найдем произведение искомых чувствительностей. Кроме того, можно легко измерить отношение этих чувствительно­ стей. Для этого нужно оба звукоприемника подвергнуть одному и тому же звуковому давлению в камере. Тогда отношение чувстви­

Однако непосредственное измерение возбуждающего тока вызы­ вает трудности. Поэтому на практике последовательно с микрофоном соединяют емкость С и измеряют напряжение на емкости Ес. Необхо­ димо, чтобы эта емкость была точно известна. Силу тока / х находят

Имеются фирменные приборы (типа 4142 фирмы Брюль и Кьер), предназначенные для калибровки микрофонов методом взаимности. С помощью этого прибора калибруют конденсаторные микрофоны, но он может быть пригоден и для других микрофонов соответствую­ щих размеров при условии, что микрофон является обратимым преобразователем. Прибор работает в частотном диапазоне от 20 до 5000 Гц при нормальных условиях; в случае работы с наполне­ нием камеры водородом при нормальных условиях диапазон расширяется до 15 кГц. Точность калибровки ~0,2 дБ.

В работе Ю. М. Блохина и А. Е. Колесникова [29] применена электронно-вычислительная техника для градуировки приемников звука методом взаимности. При этом была использована ЭЦВМ типа «Днепр».

Пусть вспомогательный излучатель, обратимый преобразователь и испытуемый приемник дают поочередно при выполнении процедуры

где R — сопротивление; / — частота; р — плотность среды.

При испытании приемников звука в воде (гидрофонов) водные измерительные объемы, т. е. объемы бассейнов, являются ограни­ ченными, особенно для средних и низких частот звукового диапазона; при этом длина волны звука в воде становится соизмеримой с раз­ мерами бассейна. Наличие звукопоглощающих покрытий не поз­ воляет полностью исключить возникающие неравномерности акусти­ ческого поля. По этой причине работа выполняется в импульсном режиме: излучение звука осуществляется короткими сериями коле­ баний, составляющих импульсы, а при приеме используется вре­ менная селекция, позволяющая выделять прямые сигналы, несмотря на отражения от стенок.

Общая схема измерительной установки изображена на рис. 5.9. Установка позволяет производить следующие операции:

1) измерение уровня помех в четырех каналах и выбор уровня, обеспечивающего заданное отношение сигнал/шум;

4)регистрацию температуры и гидростатического давления в воде;

5)измерение частоты и др.

Для отыскания такого режима, который соответствует заданному отношению сигнал/шум (15 дБ), осуществляется следующая про­ цедура. При некотором произвольном уровне сигнала (обозначим его через и 0) определяется во всех четырех каналах то значение отношения сигнал/шум, которое является минимальным. Если оно меньше 15 дБ, то управляющий сигнал уменьшается в два раза; если оно больше 15 дБ, то управляющий сигнал увеличивается. После этого производится оценка разницы между полученным и за­ данным отношениями сигнал/шум. Если эта разница превышает

± 1 дБ, то цикл повторяется с новым значением возбуждения. Сигнал

увеличивают на 3 дБ . Если при этом новое значение величины 20 lg

вытекающей из (5.48); полученная величина вводится на цифропечать.

Для расширения динамического диапазона измеряемый сигнал пропускается через логарифмический усилитель. Более подробное изображение алгоритма, по которому действует установка, дано на рис. 5.10.

13.5

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