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

ном роль хранителя сигнала во времени, т. е. роль промежуточную; она предназначена для последующего завершения измерительного процесса. Запись с помощью самописца на бумажной ленте в ка­ честве хранителя информации менее удобна; это относится и к осцил­ лограммам, которые всегда дают избыточную информацию. Цифро­ вая запись инфразвука является наиболее удобной для обработки результатов. Процесс упрощается, если задача заключается в записи интегрального уровня сигнала в цифровом виде, без спектрального анализа.

В диапазоне дробных герц конструктивный анализ должен быть несколько изменен. Ввиду значительно больших периодов колебаний на первый план выходят корреляционные соотношения. Последовательность сегментов в этом измененном методе уже не считается полностью случайной. Значение имеет не только вероят­ ность появления тех или иных сегментов, но и условные вероятности определенной смены сегментов. Поэтому приобретает значение поря­ док появления сегментов.

Простая гистограмма уже не может охватить результат сегмен­ тации. Вместо сегментов следует находить некоторые стандартные последовательности. Этот вопрос был затронут в § 1.2. Такими образами служат звуки речи — фонемы, и для описания их при­ меняются определенные комбинации гистограмм сегментов.

Для построения образа инфразвукового сигнала, создаваемого, например, грозовым разрядом, следует разбить его во времени на отдельные промежутки и сегментацию провести раздельно по этим промежуткам. Тогда сигнал будет характеризоваться некоторой последовательностью гистограмм, или упрощенно, последователь­ ностью наиболее выраженных сегментов, так, что два-три сегмента характеризуют каждую гистограмму. Полученная последователь­ ность уже не допускает изменения порядка расположения символов и сравнивается с эталонной последовательностью.

Излагаемая здесь схема близка к теории статистических измере­ ний при экспериментальных исследованиях В. В. Ольшевского [85, 86]. Согласно этой теории основная часть экспериментальных иссле­ дований и измерений в акустике заключается в рассмотрении вероят­ ностных характеристик случайных процессов или полей (рис. 6.6). Исследуемый объект характеризуется случайным процессом х (t), определяемым набором случайных функций xk (t), где k = 1, 2, . . .,N, и распределением их вероятностей; каждое xk (t) есть реали­ зация процесса х (t). На основании априорной информации и уста­ новленных гипотез, касающихся свойств исследуемого объекта, строится вероятностная модель случайного процесса. Эта модель т принадлежит множеству вероятностных моделей случайного про­ цесса х (t), которое обозначается М, так что ntzM. Стрелки на ри­ сунке, идущие от блока «Исследователь», показывают ввод формали­ зованной априорной информации и гипотез о свойствах исследуемого объекта. Обратимся к левому столбцу блоков. Стрелки идут через блок «Гипотетические объекты» к вероятностным моделям случай­ ного процесса.

151

Рис. 6.6. Схема В. В. Ольшевского.

Случайный процесс л: (t) выражается через модель следующим

ностная характеристика 0 {Пт) может быть найдена по известным или заданным характеристикам я,- (А,) с независимыми переменными

чать хг (/), которые могут быть названы выборочными реализациями от указанных выше реализаций хк {t), вероятностные свойства которых априори известны, потому что они соответствуют определен­

152

ной модели. Но после эксперимента и регистрации могут быть сде­

ланы статистические оценки выборочных реализаций 8 (/), вероят­ ностные характеристики которых принимаются за истинные 0 (Пт), Схема В. В. Ольшевского охватывает процедуру сегментации, что легко показать хотя бы на случае конструктивного спектраль­ ного анализа. Исследуемый объект: инфразвуковое поле, выборочный процесс, спектры или пространственные распределения. Формали­ зованная априорная информация — это словарь сегментов, словарь гистограмм и т. д. Гипотезы о свойствах исследуемого объекта ра­ зумно ограничивают и словарь сегментов, и словарь гистограмм, исходя из предположений относительно вида поля. Гипотетическими объектами служат наборы сегментов; вероятностными моделями слу­ чайного процесса — гистограммы сегментов. Вероятностные харак­ теристики— гистограммы или их наборы. Таким образом, блоки, расположенные слева (см. рис. 6.6), содержат подготовленную инфор­ мацию на основании прежнего опыта. Блоки, находящиеся справа, описывают процесс сегментации, получение реальных гистограмм

[блок «Статистические оценки 0 (/)»], после чего исследователем констатируется результат конструктивного анализа. Функции бло­ ков «Исследователь» и «Система управления экспериментом» при автоматическом конструктивном анализе передаются ЭЦВМ. Фор­ мализованная априорная информация или вводится в ячейки памяти ЭЦВМ, или получается посредством самообучения. Приведенные здесь обозначения легко могут быть заменены обозначениями кон­ структивной теории, принятой в данной книге, в чем, однако, нет необходимости.

§ 6.3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИНФРАЗВУКА В ОКЕАНЕ

Уровень подводного инфразвукового шума моря зависит от

мощности является Вт/Гц). Оказалось, что на частотах ниже 10—20 Гц по показаниям придонного микрофона спектральные уровни шумов возрастают на 3,5—5 дБ при понижении на октаву. Гидрофон, установленный на глубине 60 м, показал более резкое изменение уровня с частотой, что было приписано действию псевдо­ звука.

1 5 S

Статистическая теория низкочастотных шумов океана была предложена М. А. Исаковичем и Б. Ф. Курьяновым [40]. Выводы ее довольно хорошо сходятся с опытными данными, к сожалению, немногочисленными. Имеет место степенная зависимость между спектральной плотностью звукового давления и скоростью ветра:

Показатель степени ц изменяется в зависимости от диапазона частот. Для инфразвуковых частот от 1 до 10 Гц зависимость слабая (</«=. 0,8), в то время как для частот выше 1 кГц она соответствует q я» 2. Уменьшение q для инфразвуков некоторые авторы объясняют наличием инфразвуковых помех, не связанных с ветром. С глубиной уровень спектральной плотности шума для инфразвуков не должен заметно изменяться, убывая только для малых глубин, как l/h. Что касается частотных зависимостей, то уровень для низких звуков спадает приблизительно на 7 дБ на октаву с понижением частоты, в то время как известно, что на высоких частотах уровень спадает на 5—6 дБ с увеличением частоты. К сожалению, эти данные еще недостаточно достоверны.

Согласно данным Кнудсена [13] спектр шумов открытого океана при штиле дает в области инфразвуков повышение на 2 дБ при уменьшении частоты на октаву. Исследования спектральной плот­ ности шумов подо льдом различными авторами [12, 129, 131] пока­ зали в области инфразвуков незначительную частотную зависимость. Впрочем, результаты оказались противоречивыми: по одним работам наблюдается слабое убывание, по другим — возрастание плотности ■с понижением частоты. Подробные сведения о подледных морских шумах приводятся в [13].

Одним из видов массовых измерений служит определение звуко­ вых давлений в разных точках инфразвукового поля. Кроме метода исследования в дальнем поле, описанного в § 5.3 для случая подвод­ ных звуковых колебаний, который применим и для инфразвуков, значительный интерес в области низких частот представляют изме­ рение в ближнем поле и определение микроструктуры этого поля.

Для ближнего поля необходимы другие аппроксимации в отличие от приведенных в § 5.2. Однако из-за сложного характера границ можно в самых только простых случаях описать микроструктуру поля, применяя статистические приближения. Для этого существует несколько методов (метод сеток, моделирование в электростатической ванне и др.).

Здесь могут оказаться полезными конструктивные измерения. Пусть имеется комплект инфразвуковых гидрофонов, число кото­ рых примем равным п2. Пусть произведена постановка гидрофонов в мелком море. Гидрофоны, имея одинаковое заглубление, распо­ лагаются в одной плоскости, образуя структуру, которую можно представить матрицей /? — || rik ||, где индексы матричных эле­ ментов г, k соответствуют определенным положениям гидрофонов. Вводя декартовы координаты х и у, можно положить, что координаты

154

гидрофона, соответствующие матричному элементу rik, будут xik

и y ik-

Пусть имеется некоторое инфразвуковое поле. Звуковое давле­ ние, воспринимаемое в rik гидрофоном, обозначим через pik. Тогда звуковое поле давлений представляется матрицей Р = || lp[k ||. На эту матрицу может быть наложена матрица колебательных скоростей

как логическое соединение матриц. Тогда в каждой точке показаны основные величины, характеризующие звуковое поле: давление pik,

колебательная скорость \ ik, акустическое сопротивление Zik, причем они зависимы между собой. Число разнородных физических величин

Мы ограничимся распределением одной из величин, например звукового давления, полагая, что гидрофоны являются приемниками давления.

Введем понятие пространственного сегмента. Под пространствен­ ным сегментом понимается некоторое типичное построение, куда входят те же точки, в которых имеются отличные от нуля показания. Можно представить, что эти точки передают определенные градации величины поля (звукового давления, колебательной скорости, интен­ сивности). Обозначим величину такой переменной в точке М (i, /, k) через aijk. Тогда образуется трехмерная матрица ||| aijk |||.

Трехмерным сегментом будет некоторая вспомогательная матрица

Sr = I Srijk IfВвиду того, что имеется целый алфавит сегментов, обозначению сегмента придан еще индекс г. S r принадлежит алфа­ виту 5, что записывается так: 5.

Каждый сегмент представляет собой некоторую объемную фигуру: пластинку, конус, цилиндр, шар, шаровой слой, эллипсоид и т. д. Поскольку интенсивность может иметь ряд градаций, эти фигуры содержат различные объемные зоны соответственно различной интен­ сивности, причем, разумеется, как формы фигур, так и выделяемые зоны только весьма отдаленно выражают реальное поле. Например, возьмем сегмент, в котором имеются три зоны, занимающие централь­ ную сферу и два шаровых слоя. Они соответствуют трем значениям интенсивности колебания: J J 2, J 3. Предполагается, что интен­ сивности спадают обратно пропорционально квадрату расстояния но в пределах зоны их полагают условно постоянными:

где и /2 — радиусы, Зонам приписываются числа, измеряющие интенсивность.

155-

Воснову самого принципа сегментации заложено то, что выбор ■алфавитов сегментов весьма широк. Теоретическим обоснованием этому служит то, что заданная пси-функция имеет множество пред­ ставлений через собственные функции операторов, а наборов опе­ раторов собственных функций имеется неограниченное количество.

Вкачестве сегментов могут быть приняты, например, сферические гармоники (см. §5.2). В равной мере могут быть взяты цилиндриче­ ские гармоники, эллипсоидные и т. д.

Вдальнейшем для простоты ограничимся рассмотрением двух­ мерных матриц, т. е. ограничимся плоскими изображениями; такие

построения наглядны и дают визуальное изображение (вопросы трехмерных изображений, относящиеся к ультразвуковой гологра­ фии, будут изложены в следующей главе). Поэтому исключая третье

В общем случае надо считать, что элементы aik зависят от вре­ мени t; сама картина сегмента изменяется во времени и то прибли­ жается к одному сегменту, то — к другому.

Иногда оказывается полезным введение не только отдельных сегментов, но и их композиций. Например, сегментами алфавита плоского сечения поля могут быть полосы, конические сечения,

то сложный сегмент изображается как логическое сложение этих сегментов:

С течением времени, по мере протекания акустического процесса сегменты изменяются, изменяется и их композиция. Однако это изменение следует рассматривать как смену кадров скачками; ка­ ждый кадр представляет собой постоянную картину, длящуюся в течение некоторого интервала времени АТ, причем этот интервал постоянен по длительности. Применительно ко времени АТ есть время квантования — понятие, которое много раз встречалось ра­ нее. Чем меньше время квантования, тем ближе к непрерывному волновой процесс. Так, например, при длительности кадра АТ —

— 0,05 с кинофильм дает их движение, которое представляется непрерывным.

Распространение инфразвука в какой-либо воздушной или вод­ ной среде при наличии границ— рельефа дна, очертаний берега, волнистости поверхности моря, атмосферных неоднородностей и др. — есть динамика сегментов, подобная смене кадров. Отсюда получается конструктивное построение цепочки сегментов.

Цепочка сегментов представляет собой последовательные соеди­ нения сегментов в цепь, построенную либо в пространстве в данное время, либо во времени в данном месте пространства. Для описания распространения инфразвука берется и пространственное, и времен­ ное чередование сегментов. Если во времени элементом квантования

156

будет А Т, то в пространстве — Аг, причем Аг изображает расстояние между теми местами, для которых представлены два соседних сег­ мента в цепочке. Этот пространственный интервал берется постоян­ ным, а цепочка направляется по прямой в пространстве.

Совмещение двух цепных процессов при измерении пространствен­ но-временного процесса распространения инфразвука производится путем сочетания измерений в пространстве и во времени. В качестве примера рассмотрим следующую схему.

Пусть в какой-нибудь акватории произведена постановка инфразвуковых гидрофонов. Гидрофоны распределены равномерно по всему объему акватории. Для изучения распространения инфра­ звука в пространстве объем делится на участки, причем простран­ ственная сегментация производится по участкам. Чем больше уча­ стков, или пространственных ячеек, тем больше данных по сегмента­ ции. С другой стороны, в том случае, если ячейки сравнительно невелики, удобно снимать сигналы для временной сегментации. В идеальном случае временную сегментацию сигнала можно было бы производить с выхода каждого гидрофона, но практически это сле­ дует делать объединяя гидрофоны в группы. Очевидно, что к группе гидрофонов, предназначенной для временной сегментации, предъяв­ ляются требования, противоречащие требованиям к тем гидрофо­ нам, которые представляют пространственную ячейку: в первом случае прием должен быть, по возможности, равномерным, а во втором — приемники должны показывать изменение поля в простран­ стве. Однако практически для спектрального анализа сигнала, на котором строится временная сегментация, не так важна однород­ ность поля и потому в качестве группы гидрофонов может быть выбрана та, которая распределена в одной пространственной я чейке.

Число каналов, служащее для передачи сигнала с целью времен­ ной сегментации, значительно меньше числа каналов, которое тре­ буется для передачи сигналов, используемых при пространственной сегментации. Пусть число гидрофонов в ячейке равно п 0. Для вре­ менной сегментации требуется только один канал, идущий с выхода одного любого гидрофона или (для надежности) с общего выхода небольшой группы гидрофонов. Для пространственной же сегмен­ тации нужен выход с каждого гидрофона, так что число каналов будет п 0. С другой стороны, при спектральном анализе канал, пред­ назначенный для временной сегментации, разбивается с помощью системы параллельных фильтров на m каналов. Таким образом, разница в числе каналов не так велика и выражается разницей между п о и т.

Дальнейшая процедура измерений заключается в измерении уровня инфразвуковых давлений во всех точках в данной ячейке, причем эти измерения происходят периодически в каждый интервал времени АТ. В это же время производится спектральный анализ и определяется временной сегмент. По измеренным данным строится пространственный измерительный сегмент с указанием чисел, изме­ ряющих средние звуковые давления в сегментных зонах.

157

Если общее число ячеек в акватории составляет N, то в принципе весь процесс для одной ячейки должен идти параллельно во всех ячейках. Если же нас интересует цепочка сегментов по прямому направлению, то в этом случае должна быть выбрана соответствующая пространственная последовательность; тогда запись данных будет

iотноситься только к этому ряду ячеек. Времен­ ная сегментация дает последовательность спектральных сегментов, которые служат для построения гистограмм. Однако вопрос о том, на какие отрезки надо разделять последова­

аустанавливания звука. Поскольку сегментация применяется для изучения изменяющихся

не ограничивается обычным условием, а может быть уменьшено. При этом фильтры играют несколько отличную роль, что, разумеется, влияет на результат анализа. Мы не будем останавливаться на этих

153

деталях, поскольку для сегментации обычно безразлично, каким образом получена картина сегмента.

Такое же замечание можно сделать и в отношении пространства квантования. Для сегментации может приобрести значение микро­ структура поля, и тогда расстояние между зонами может быть взято значительно меньше длины инфразвуковой волны.

В качестве примера конкретной измерительной установки рас­ смотрим пятиканальное инфразвуковое устройство (к сожалению, только пятиканальное), выполненное в Ленинградском институте киноинженеров. Это устройство рассчитано на широкий частотный диапазон. В целом перекрывается частотная шкала от 0,5 Гц до 20 кГц, охватывающая диапазон инфразвуков и слышимых звуков.

составляет 50 дБ.

На рис. 6.7 приведена частотная характеристика усилителя. Пятиканальная установка предназначена для измерения в воздухе. В качестве звукоприемника взят конденсаторный микрофон [981 с круглой мембраной толщиной 10 мк; неподвижный электрод явля­ ется сплошным. Емкость капсюля 30 мкФ, поляризующее напряже­ ние 100 В, чувствительность микрофона 2,6 мВ/Па. Частотная характеристика микрофона совершенно прямолинейна в диапазоне от 1 до 1000 Гц и имеет завал —2 дБ при 0,5 Гц и неравномерность ±2 дБ на участке от 1000 до 10 000 Гц.

Калибровка гидрофона производится с помощью пистонфона. В пятиканальный комплект входит пятиканальный усилитель и элек­ тропитающее устройство.

Перейдем теперь к инфразвукам, принадлежащим к частотному диапазону дробных герц. Существуют многочисленные искусствен­ ные и естественные источники таких инфразвуков.

Установлено, что дизели являются источниками инфразвука большой интенсивности, равно как и некоторые вентиляционные и отопительные системы.

На рис. 6.8 представлен типичный спектр для частотной плот­ ности квадрата звукового давления (пропорциональной интенсив­ ности, отнесенной к единице частоты) в автомобиле. Поражает высокая интенсивность инфразвука на частоте от 20 до 40 Гц [147].

159

Реактивные двигатели представляют собой мощные источники инфразвуков, причем сам источник относится к типу пульсирующей сферы. Когда источники находятся вблизи почвы, инфразвук испы­ тывает большое затухание, исключая только случаи очень длинных волн. Именно благодаря большим длинам волн инфразвуков на последние мало действуют обычные акустические поглотители и стены, облицованные поглотителями. Поэтому ослабление нежелательного излучения должно производиться в самом источнике.

При распространении инфразвука в атмосфере происходит инте­

могут достигать 50 Па. Благодаря корреляции можно выделять более слабые инфразвуковые сигналы при их распространении на большие расстояния.

Землетрясения и извержения вулканов создают также Инфразвуковые возмущения. Колебания дна порождают инфразвуки в океане. Они распространяются со скоростью, превышающей скорость ката­ строфических цунами, а потому прием инфразвука может явиться важным предупреждением.

Поглощение инфразвука в атмосфере, обусловленное внутренним трением и теплопроводностью значительно меньше, чем поглощение слышимого звука. Можно оценить ослабление в атмосфере следую­ щим образом. Введем коэффициент ослабления а, так что интен­ сивность инфразвука на расстоянии г определится зависимостью

J = J 0e~ar.

Коэффициент а может быть выражен так:

сюда следует, что для частоты 0,1 Гц (Т = 10 с) ослабление соста­ вляет 2 -10~3 дБ/км. Как известно, при извержении вулкана Кра­ катау инфразвуковые волны много раз обошли земной шар.

Были обнаружены также волны, вызванные микросейсмическими колебаниями. Любопытно то, что в Швейцарии в 50-х годах были обнаружены инфразвуки, вызванные волнением в Атлантике. Они оказались скоррелированными с волнением во время шторма в океане, а также с микросейсмическими явлениями, которые происходили на расстоянии 200 км от места наблюдения.

Полеты ракет и реактивных самолетов вызывают интенсивные инфразвуковые колебания в атмосфере. Инфразвуковые давления возникают, по-видимому, из-за нестабильности струи.

Инфразвуковые волны наблюдаются во время периодов большой геомагнитной активности; период инфразвука составляет 40—80 с, амплитуды — около 0,1 Па. Происхождение этих инфразвуков, относящихся к диапазону дробных герц, возможно, связано с обра­ зованием ударных волн.

J6 0