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

передается через корпус. Если корабль имеет скорость, которая пре­ вышает крейсерскую, то главным источником подводного шума слу­ жит кавитационный шум винтов. Изменение давления, которое полу­ чается за движущимся телом, может быть выражено так:

где С — коэффициент, зависящий от формы тела; р — плотность жидкости; и — скорость движения тела в жидкости. Если раз­ ность р — Ар приближается к парциальному давлению пара в воде, происходит кавитация; энергичное зах­ лопывание полостей создает шум. Про­ цесс носит случайный характер, спектр шума занимает очень широкую частот­ ную полосу. Известно также, что глубина очень сильно влияет на кави­ тацию.

Винты могут создавать и тона вих­ ревого происхождения: это пение вин­ тов. Для звука вихревого происхожде­ ния характеристикой служит число Струхаля

ловлен воздействием на гидрофон коле­ баний давления, которые происходят в турбулентном потоке.

Псевдозвук локализован и практически не распространяется в окружающую среду.

Шум моря вызывается или физическими явлениями (волнение, дождь и т. п.), или биологическими эффектами (шум рыбных кося­ ков), или движением кораблей. Дождь может вызвать увеличение шума до 15—25 дБ в диапазоне слышимых и низких частот.

Подводный шум океана обладает направленностью (рис. 7.5). Шум, создаваемый пузырьками, имеет направленность как по ази­ муту, так и по углу места, причем направленность зависит от глу­ бины. Направленность по азимуту имеет максимум перпендикулярно

171

имеющего в качестве приемника пьезогидрофон (с пьезоэлементом из сегнетовой соли). Были выполнены измерения подводных ультра­ звуковых шумов транспортных судов, которые осуществлялись с борта катера, находящегося на траверзе каравана судов.

Уровень шума, как было установлено в ряде последующих ра­ бот [133), довольно резко спадает в сторону ультразвука, где при­ нимается только «хвост» ультразвукового спектра.

Для измерения уровней ультразвукового шума, создаваемого движущимися судами, и шума моря и морских животных необхо­ димо исключить собственный шум приемной и усилительной аппара­ туры. Среди других способов существует так называемый модуля­ ционный метод, аналогичный методу радиометра (см. § 4.1), но при­ способленный для измерения ультразвуковых (и звуковых) шумов.

Рис. 7.6. Структурная схема модуляционного измерителя шума.

Как известно, применение фильтров, выделяющих полосы в ча­ стотном диапазоне, не позволяет измерять слабые шумовые сигналы при наличии превосходящих их по уровню собственных шумов. Такие фильтры требуются для ограничения диапазона частот, но они не дают возможности выделить шумовой сигнал. Нужен син­ хронный фильтр, так называемый синхронный детектор, причем поступивший в приемник сигнал модулируется для того, чтобы он отличался от немодулированного собственного шума. Детектирова­ ние синхронным детектором производится на тоне модуляции [9].

На рис. 7.6 дана структурная схема модуляционного измерителя шума. Подводный шум, принимаемый гидрофоном, модулируется при помощи емкостного модулятора, представляющего собой конден­ сатор с вращающимися экранами; затем через переходную цепь промодулированный сигнал усиливается и поступает на трехзвенный /?С-фильтр типа Т, настроенный на частоту модуляции 24 Гц и от­ секающий помеху, вызванную модулированной контактной разно­ стью потенциалов между электродами емкостного модулятора. После этого сигнал усиливается и подается на детектор и регистратор.

172

Прибор, как и радиометр, записывает некоторый сглаженный уровень шума, так что информация о спектральном составе те­ ряется .

Для работы синхронного детектора требуется опорное напряже­ ние частоты модуляции, которое создается благодаря применению двойного модулятора: одна его часть служит для модуляции вход­ ного шума, а другая создает опорное напряжение, которое подается по другому каналу на синхронный детектор через фазовращатель. Опорное напряжение подается в цепь нагрузки синхронного детек­ тора сдвинутым на 180°; напряжение сигнала подается в фазе; после детектирования получается постоянная слагающая, которая и реги­ стрируется.

В установке, описанной в 19], частота модуляции равнялась 24 Гц; при собственном шуме приемной аппаратуры, составляющем {если его выделить через эквивалент, отнесенный ко входу) 5—7 мкВ, можно было измерять шумовой

ющем. Источник света 5 посылает на вогнутое зеркало М пучок лучей, который отразившись дает в фокальной плоскости действи­ тельное изображение {рис. 7.7). По пути лучи проходят через участок, где имеются неоднородности в показателе преломления света, напри­ мер в звуковом поле (см. положение N)\ колебания сжатия среды вызывают колебания оптического показателя преломления. Перед фокальной плоскостью ставится нож-заслонка G, причем нож может перекрывать почти весь пучок, оставляя небольшую, дифрагиро­ ванную на острие ножа, часть светового пучка. В фокальной плоско­ сти изображение источника становится тусклым, но на слабо осве­ щенном фоне заметны те неоднородности, которые встречаются на пути светового пучка. Изображение их получается в виде череду­ ющихся темных и светлых полос (Е).

Как известно, визуализация слабых неоднородностей при исполь­ зовании точечного источника света (метод Дворжака) родственна явлению Теплера. В обоих этих явлениях усиливается чувствитель­ ность по отношению к слабо преломленным лучам света, которые при неточечных источниках света перекрываются боковыми потоками света. Методы Теплера или Дворжака дают изображения неоднород­ ностей, вызывающих преломление света в ультразвуковом поле.

173

Пусть световой пучок при отсутствии ножа-заслонки создает в фокальной плоскости изображение источника, которое можно описать матрицей 5 = |]5,^||. Считается, что матричные элементы располагаются достаточно часто, чтобы можно было полагать рас­ пределение непрерывным. Кроме того, независимо от прямоуголь­ ное™ матрицы, освещенное поле может иметь естественную (оваль­ ную) форму фокального пятна, так как все элементы прямоугольной матрицы S ik, выходящие за овал, могут считаться нулями. При голографии происходит построение голограмм путем приложения матрицы голографического оператора:

1 Ы 1 +

Матрица || bik\ дает голограмму. Восстановление изображения предмета получается путем применения опорного поля, каковым может служить неискаженное поле ||sffc||:

В методе Теплера процедура осуществляется в другом порядке. Из изображения светового поля (включая незаметные при этом эффекты преломления ультразвуковых волн), которое можно описать матрицей IaiAI, посредством ножа-заслонки вычитается изображение прямогопучка || sf* [j и получается голограмма

Ы Н

Полосы Теплера потому контрастны и заметны, что остальное световое поле однородно.

Метод Теплера позволяет осуществить прямую визуализацию ультразвукового поля, без электроакустического преобразования. Он является бесконтактным способом и потому удобен для измере­ ния тонкой структуры звуковых полей в особенности при измерении полей ультразвуковых излучателей. С помощью метода Теплера получены точные данные о структуре ближнего поля пьезоэлектри­ ческих источников ультразвука, структуре обычно очень сложной. Такаяструктура не воспринимается измерительным пьезогидро­ фоном, производящим всегда некоторое пространственное и угловое усреднение. Однако метод Теплера сравнительно мало чувствителен и поэтому требуется создание полей значительной интенсивности. Разрешающая способность и чувствительность метода здесь сильно разнятся.

При измерении интенсивных ультразвуковых полей метод Теплера обладает определенными достоинствами: он допускает новые обобще­ ния и применения.

Ультразвуковой метод полос — это перевод оптического метода Теплера на язык ультразвуковых «лучей». Предположим, что имеется источник, посылающий ультразвук посредством зеркала или звуко­ вой линзы в виде плоскопараллельного пучка, на приемник из ре­ шетки или мозаики звукочувствительных элементов, расположенный приблизительно в фокальной плоскости. Звукопоглощающий экран ставится поперек сходящихся лучей так, чтобы создать слабый

174

Заслуживает внимания применение фигурных заслонок (вместо ножа), имеющих вид различных масок. Если маска обладает подо­ бием голограмме, то при прохождении когерентного опорного луча получается соответствующее изображение, которое может быть ис­ пользовано как сегмент при распознавании подводных шумов.

Применение голографии для измерения ультразвукового поля описано в работе [411. Световой пучок от гелий-неонового лазера поступал в фокус вогнутого зеркала и направлялся плоскопарал­ лельным пучком через ультразвуковое поле, создаваемое в водяной ванне излучателем на 84 кГц; он собирался на пластинке 7, где строи­ лась голограмма (рис. 7.8). Опорный пучок света шел параллельно предметному пучку и с помощью призмы накладывался наклонным падением на предметный пучок. Полученное изображение пред­ ставляет собой систему темных и светлых участков (рис. 7.9).

§ 7.3. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРИБОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В НАВИГАЦИИ

До недавнего времени применение акустики в навигации и связи заключалось в акустических методах измерения глубин (звуковые и ультразвуковые эхолоты) и средствах гидролокации, предназна­ ченных для обнаружения объектов и препятствий активным путем (путем посылки и приема отраженных звуковых и ультразвуковых импульсов) и пассивным путем (через пеленгование источников шума).

В настоящее время область применения подводной акустики зна­ чительно расширяется. Мы имеем в виду «навигацию и связь» для водолазов и аквалангистов. Нетрудно предвидеть, что грядущее завоевание гидросферы, создание обитаемости под водой, осуществле­ ние густой сети подводных станций, служащих базами для все воз­ растающего количества людей, осваивающих богатства океана и под­ водных недр, — все это явится новым стимулом для развития подвод­ ной акустики.

Акустические средства под водой, где им уступают оптические средства (из-за мутности среды) и радиосредства (вследствие погло­ щения радиоволн в морской воде, кроме самых низких частот), при­ обретают исключительное значение для будущих обитателей гидро­ сферы. Особая роль отводится низкочастотным ультразвукам: уль­ тразвуковая локация должна заменить зрение подводным обитате­ лям, которые, подобно дельфинам, смогут ориентироваться в окру­ жающей обстановке по ультразвуковым эхо-сигналам. Проводятся исследования распространения ультразвука под водой, рассеяния ультразвука подводными объектами, морской реверберации, обу­ словленной многократным отражением ультразвука, и т. д. Не может быть никакого сомнения, что в недалеком будущем практические задачи, связанные с развитием подводной речи и подводного «акусти­ ческого зрения», повысят свой удельный вес по сравнению с другими задачами подводной акустики. Ведь освоение гидросферы — это одна из грандиозных целей технического прогресса. Завоевание человеком океана с его неисчислимыми ресурсами создает опреде-

176

ленную направленность для развития измерений в подводной аку­ стике.

В связи с проблемой «акустического зрения», под которым надо понимать визуализацию ультразвуковых изображений подводных объектов, существенная роль принадлежит акустической голографии.

«Акустическое зрение» осуществляется с помощью построения голограмм и получения через них видимых изображений, восприни­ маемых зрением. Для работы автоматов должны быть применены трансляторы голограмм. Учет колебаний скорости звука и поглоще­ ния звука особенно важен для коррекции расстояний.

Для определения скорости звука в зависимости от температуры и солености Вильсоном предложена следующая формула:

+ члены более высокого порядка малости.

Здесь с0 — скорость звука в морской воде, м/с; Т — температура, СС; S — соленость, п/00 по весу. Эта формула справедлива при нуле­ вой глубине, т. е. при атмосферном давлении. Изменение скорости с изменением давления выражается так:

где Лб'0— изменение скорости звука; A h — изменение глубины, м. Скорость звука в смеси воды и воздуха ссм зависит от наличия пу­ зырьков и определяется формулой

ная концентрация газа, равная отношению объема газа к объему

приведена на рис. 7.10. Скорость звука очень резко падает при уве­ личении концентрации пузырьков, достигает минимума (около 20 м/с), если в смеси количество воздуха занимает примерно такой же объем, как и количество воды, а потом возрастает до 340 м/с в чистом воздухе.

Удельное акустическое сопротивление смеси сначала очень резко падает с увеличением концентрации пузырьков, а потом меняется, постепенно доходя до значения для чистого воздуха (рис. 7.11, где по оси ординат отложена величина рс0, а по оси абсцисс — кон­ центрация воздуха в воде в процентах по объему).

Коэффициент поглощения звука в морской воде выражается формулой

(7.14)

где 5 — соленость; f — частота; fT — частота релаксаций; ps — гид­ ростатическое давление, кг/см2. Частота релаксаций fT зависит от температуры Т и для раствора магния S04 (наличие которого в мор­ ской воде и обусловливает значительно большее поглощение звука, чем в воде пресной) составляет около 100 Гц. Для частот более

надо исходить из так называемого уравнения гидролокации. Уравнение это представляет собой выражение баланса энергии (точнее, баланса интенсивностей) при облучении звуком цели и приеме рассеянного звука. Принято выражать интенсивности в де­ цибелах. Обозначим через J интенсивность отраженного от предмета сигнала, который воспринят гидрофоном, т. е. интенсивность эха. Интенсивность эха равна

где N — интенсивность шума (помех); R — превышение эха над интенсивностью шума, т. е. величина, которая позволяет достичь порога распознавания. Все величины даны в децибелах.

178

С другой стороны,

где J x— интенсивность посылаемого сигнала; У2 — потери при распространении; Т — сила дели, причем под силой цели пони­ мается отношение интенсивности, посылаемой целью в сторону на­ блюдателя, к интенсивности звука, падающего на цель. Объединяя эти выражения, получаем уравнение гидролокации

которое является уравнением активной гидролокации. Оно легко переходит в уравнение пассивной гидролокации. Когда сигналом служит шум, создаваемый целью, уравнение получает вид

при распространении в один конец.

От уравнения баланса интенсивностей, т. е. уравнения гидроло­ кации (7.18), переходят к схемам акустических измерений под водой. При этом в качестве приемных гидрофонов используют прием­ ники давлений: по известному модулю давления \р\ интенсивность звука находят, используя стандартную формулу!

где рс0 — удельное акустическое сопротивление воды. По этой фор­ муле (с переводом в децибелы путем логарифмирования) строят величины J г, J 2, N, R, J, фигурирующие в (7.15) — (7.19) На­ пример,

а | р 01— величина, определяющая уровень отсчета, который является общим и при подстановке в указанные формулы сокращается.

В гидролокационное измерение входит определение характе­ ристик направленности акустических преобразователей. Сюда от­ носится определение пространственной ориентации диаграмм на­ правленности, обладающее достаточной точностью (в пределах одной угловой минуты) [63]. Такая задача содержит два этапа: определе­ ние оси диаграмм направленности в пространстве и переход к системе координат, связанной с акустической направленной системой пре­ образователей.

Назначение измерительного процесса — снизить до заданного значения угловую погрешность в определении угла поворота 0. Исходные данные представляют собой зависимость выходных на­ пряжений U от углов поворота 0. При этом используют безразмерную

координату z, равную

где /ie — шаг дискретного изменения углов. Таким образом,

Отыскивают экстремум на кривой диаграммы направленности, причем на данном участке диаграмма направленности аппроксими­ руется с помощью полиномов Чебышева Рип (г). Положение макси­ мума находят по следующей формуле (при этом полагают, что наи­ большее I — 2):

Центр тяжести диаграммы направленности определяют по формуле

п12

X «' Ц [ЧЦ0,-)]2

п + 1 — число дискретов (число узлов дискретизации); при вы­ бранном п b является константой.

В качестве примера можно привести следующие данные, полу­ ченные в процессе измерений: отношение размера направленной системы к длине волны ИХ ----- 16; Q — 8; можно ограничиться объ­ емом выборки N = 3; п — 12; Нв = 40.

К методам измерения коэффициента отражения низкочастотного ультразвука от дна относятся :1) метод стоячих волн; 2) метод много­ кратных отражений и 3) метод сравнения [31, 119, 140, 150].

Методом многократных отражений измеряется многократное эхо при нормальном падении звука на грунт.

Если считать, что от плоскости раздела воздух — поверхность моря отражение является полным, коэффициент отражения от грунта следует находить по формуле

где рп — звуковое давление после п-го отражения от дна, а рп+1 — после (п 4- 1) -го. Эти методы неточны и, конечно, не новы. Более современным и получившим более широкое распространение может считаться «метод сравнения», при котором находят применение ЭЦВМ. В этом случае звуковое давление после отражения волн от

180