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

для автоматического распознавания время значительно сокра­ щается. Предел уменьшения АТ определяется временем, необхо­ димым для того, чтооы установилась форма огибающей спектра сегмента. Если спектральные реализации отходят от эталонов, устанавливается ближайший сегмент: каждая реализация должна получить обозначение определенного сегмента.

Эта процедура напоминает процедуру записи слов с помощью ограниченного алфавита букв. Хотя при произношении фонем,

отдельные сегменты могут многократно повторяться. Тогда осу­ ществляется возможность оценивать этот состав по частоте появле­ ния тех или иных сегментов. Конструктивным спектром акусти­ ческого сигнала (например, подводного шума судна определенного типа при данном ходовом режиме) называется распределение плот­ ности вероятности сегментов, или гистограмма сегментов.

В качестве примера можно привести гистограмму, изображенную на рис. 5.13, где сегменты обозначены порядковыми номерами. Для этого сигнала чаще всего появляется сегмент 1, затем сегмент 5, реже — сегмент 6 и т. д. Для простоты эту гистограмму можно обозначать цифрами /—5 (символами сегментов, наиболее вероят­ ных), причем писать сегменты в порядке уменьшения плотности вероятности. Как показал опыт, этого оказывается достаточно для классификации подводных шумов. Таблицы сегментов подводных шумов приведены в [80].

ГЛАВА 6

ИНФРАЗВУКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

§ 6.1. ИНФРАЗВУКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ИХ ИСПЫТАНИЕ

Медленно, но неуклонно возрастает роль и значение инфразвуков; можно даже говорить о рождении инфраакустики и инфразвуковых измерений.

В области инфразвука еще не установились многие термины и понятия, в том числе и названия диапазонов частот. Следует счи­

141

тать инфразвуковыми колебаниями частоты ниже 16—20 Гц. Обособ­ ленную область составляют инфразвуки с частотами менее 1 Гц;

ееможно назвать диапазоном «дробных герц».

Динамика инфразвуковых колебаний занимает в акустике такое же

место, как электродинамика сверхдлинных волн в радиотехнике. Сходны и методы измерений. Существует близость в происхождении и роли помех. В морских условиях роль электромагнитных помех низких звуковых частот настолько велика, что они затрудняют прием низкочастотных электромагнитных сигналов, несущих полез­ ную информацию, исключая специальные радиопередачи на сверх­ длинных радиоволнах. Роль инфразвукового фона, который всегда присутствует в морских условиях, тоже велика. Он затрудняет прием и измерения инфразвуковых сигналов, несущих полезную информацию. Исключение составляют специальные мощные инфразвуковые передачи в подводной акустике, обеспечивающие передачу сигналов на значительные расстояния.

При обтекании потоком препятствий периодически срываются вихри и происходит образование инфразвука, частота которого может быть найдена по формуле Струхаля:

где k — число Струхаля; v — скорость потока; d — поперечный размер препятствия. Сказанное относится также к водной среде и водным потокам.

Источниками собственных шумов инфразвукового диапазона на судне служат палубные надстройки, мачты, снасти при движении судна или при ветре, вращение гребных винтов, движение корпуса в воде.

Море также является источником инфразвукового шума, осо­ бенно во время волнения, когда воздушные массы, несущиеся с боль­ шой скоростью, взаимодействуют с волнами. Отсюда известный «голос моря», открытый В. В. Шулейкиным еще в начале 30-х го­ дов [119]. Оказалось, что колеблющийся на инфразвуковых часто­ тах надутый шар-зонд может служить предвестником наступления шторма: он воспринимает инфразвуки, порождаемые штормом, которые, распространяясь со скоростью звука, значительно опе­ режают бурю.

Искусственные источники инфразвука обычно вихревого типа тоже основаны на прерывании или модуляции воздушных или вод­ ных потоков.

Теория инфразвукового поля основана на волновом уравнении (5.1), которому подчиняются физические величины: звуковое давле­ ние, сжатие, колебательная скорость, температура. Но здесь, как и в электродинамике низких частот, волновое уравнение в ряде случаев переходит в уравнение Лапласа

V2p = 0.

142

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

При этом сигнал перед подачей его на перемножители должен быть пропущен через двухканальную систему, представляющую синхронный фильтр. В описанном случае спектральный анализ сигналов осуществляется без применения фильтров. Ведь преобразо­ вание Фурье есть корреляционное преобразование двух сигналов:

149

исследуемого и синусоидального, гармонического. Спектр находится по формуле

При этом вспомогательным синусоидальным сигналом служит зондирующий тон от генератора инфразвуковых частот. Если иссле­ дуемый сигнал периодичен, определение спектра сводится к ; опре­ делению коэффициентов Фурье

т

ak = -^r | x(t) cos at dt\

0

С целью нормировки корреляционных функций перед входами перемножителей стоит нормирующая схема, обладающая соответ­ ственно двумя каналами.

Для выделения дискретных компонент в спектре находят посред­ ством зондирующего тона максимумы корреляционных функций. Построение корреляционных функций основано на применении умножителей. Выделение дискретных компонент производится без использования фильтров благодаря корреляционному преобразова­ нию исследуемого сигнала и зондирующего тона. Схема работает как спектральный анализатор с зондирующим тоном (зухтоном), реагирующим только на дискретные компоненты. Результаты ана­ лиза в цифровом виде служат дополнительными признаками сег­ ментов.

Заметим, что эта несколько усложненная сегментация может быть использована и в диапазоне слышимых частот как для подвод­ ных звуков, так и для электромагнитных излучений. '

Описанный метод позволяет также осуществить инфразвуковую запись в цифровом виде. Такая запись дает последовательность цифр, описывающих частотно-амплитудные спектры, с выделением дискретных компонент. Во многих случаях она более целесообразна, чем запись с помощью электронного осциллографа, инфразвукового магнитофона или самописца. Магнитофонная запись играет в основ­

150