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

грунта измеряется в данной точке. Известны также направленность и акустическая мощность излучателя. Коэффициент отражения вы­ числяется по формулам, описывающим прямое и отраженное звуко­

вое поле.

Аналогичные измерения производятся для определения коэффи­ циента отражения подводного звука от взволнованной поверхности моря и зависимости его от балльности. Для того чтобы при измере­ ниях отражения от дна не являлись помехами, применяется вре­ менная селекция: измерение звукового давления погруженным гидрофоном производится в рассчитанные «окна» приема звука.

Для массовых измерений коэффициентов отражения от морской поверхности или грунта должна быть осуществлена постановка системы гидрофонов и организован многоканальный прием инфор­ мации, перерабатываемой ЭЦВМ. Пространственно-временная сег­ ментация звуковых давлений позволяет получить те распределения, которые характеризуют процесс накопления звука в целом.

Для массовых измерений применйм также импульсный метод. Источник ультразвука посылает прямоугольные импульсы фикси­ рованной продолжительности, имеющие ультразвуковое заполне­ ние 131]. В качестве источника используются магнитострикционные излучатели, обладающие достаточно узкой направленностью; очень часто излучатель служит и приемником, так что отраженный импульс принимается обратно и излучатель используется как приемник.

Коэффициент рассеяния определяют по формуле

где /пр — интенсивность рассеянного звука в месте приема; i — про­ межуток времени возвращения импульса; р — коэффициент погло­ щения ультразвука в воде; т — длительность импульса; W — мощ­ ность, которую излучает источник.

Реверберация моря — процесс, значительно влияющий на усло­ вия работы навигационных ультразвуковых приборов. При посылке ультразвуковых импульсов возникает продолжительное послезвучание, реверберация, которая сопровождается и дискретными вспле­ сками, т. е. многократным эхом.

При измерениях реверберации моря производят запись сигнала во времени, с помощью которой можно отмечать возникновение и спад реверберации, появление дискретных составляющих и находить характеристики реверберации моря — процесса достаточно слож­ ного. Представляет также интерес спектральный анализ ревербера­ ционного сигнала. Методика спектрального анализа, которая может быть рекомендована для измерения реверберационных процессов, относится к конструктивному анализу. После включения источника подводного звука сигналы, поступающие с приемного гидрофона,

181

Как было установлено, пластинка излучает шум, спектр которого обладает равномерным частотным распределением; на него наклады­ ваются серии дискретных составляющих, обусловленных колеба­ тельными модами пластинки. Система, состоящая из сверхзвуковой струи и металлической пластинки, заменяет систему, состоящую из электрического генератора шума и пьезоэлектрического излуча­ теля, но является более простой.

Пневматическое возбуждение ультразвука и получение нужных компонент с помощью металлических пластинок различного профиля и толщины может найти применение для устройств связи эхолокации при оснащении обитателей гидросферы. Такое устройство обладает высокой экономичностью и удобно тем, что для его питания не­ обходим только сжатый газ. Дорого­ стоящие излучатели ультразвука заменяются пневматическими; в ка­ честве приемника используются эко­ номичные пьезогидрофоны.

Измерительная установка, предна­ значенная для испытания пневмати­ ческих излучателей, состоит из эле­ ментов, показанных на рис. 7.13. Наполненная водой измерительная камера (или гидроакустический бас­ сейн) с поглощающим ультразвук покрытием стенок, дна и водной по­ верхности, снабжается пластинкойизлучателем, вставленным в боко­ вую стенку, куда подводится сжатый

воздух. Испытуемые гидрофоны помещаются на различных расстоя­ ниях от пластинки, играющей роль источника ультразвука. Гидрофон

Интересно, что в качестве чувствительных элементов исполь­ зуются приемные преобразователи, выполненные на основе пьезо­ транзисторов и полупроводниковых тензорезисторов [5, 145]. Пре­ образование происходит в результате действия корундовой иглы на

еще можно обнаружить с помощью преобразователя, то отношение сигнал/шум на выходе будет F/Fmln. Предполагается, что распозна­ ваемость порогового сигнала FmM равна 100%. Динамический диа­ пазон для пьезотранзисторов составляет примерно 100 дБ. Эффектив­ ность приемника увеличивается, если включено параллельно не­ сколько пьезотранзисторов этого вида.

Для измерений применяется сферический гидрофон из керамики титаната-цирконата свинца (ЦТС 13/1). Этот гидрофон [108] выпол-

183

няется из тонкостенного пьезокерамического элемента диаметром 50 или 30 мм, причем пьезокерамика поляризована радиально. Отно­ сительная проницаемость составляете — 1350, а пьезоэлектрический модуль а 31«Д ,3-К Г10 Кл/Н. Пьезокерамический элемент, снабжен­ ный двумя сферическими электродами, помещен на конце кабеля, причем наружный электрод образован металлизацией поверхности пьезоэлемента. Толщина стенки — 2,5 мм. Гидрофоны составляются из двух полусфер. Они были использованы для измерений на глу­ бине 100 м. На рис. 7.14 дана частотная характеристика сферического гидрофона с наружным диаметром 30 мм, снятая в звукомерном бас­ сейне (сплошная кривая) и в свободном пространстве (штриховая). Статическая чувствительность р составляет 100 мкВ/Па. Для сопо­ ставления можно указать данные сферического гидрофона из титаната бария [5]. Этот гидрофон имеет наружный диаметр 30 мм, тол­ щину стенки 25 мм, относительную диэлектрическую проница­ емость е -= 1200, пьезоэлектрический модуль а 31 0,4 -10~10 Кл/Н. Чувствительность гидрофона из керамики ЦТС 13/1 более чем в два раза превосходит чувствительность титанато-бариевых гидрофонов.

Рис. 7.14. Частотная характеристика сферического пьезокерамического гидрофона.

В связи с освоением шельфовых районов океана, рыбоводством, добычей полезных ископаемых и нефти возникает необходимость осуществления акустической связи, локации и звуковидения. Мелко­ водный район при волнении может рассматриваться с акустической точки зрения как пространственно-неоднородная структура, анализ условий работы акустических приборов в которой может вестись только на базе конструктивной механики.

Для эхолокации, осуществляемой аквалангистами, потребуется применение сложных посылок, которые дают эхо, характеризующее встречные объекты. Здесь имеется хороший повод для подражания дельфинам, которые пользуясь эхолокацией, посылают весьма сложные по структуре звуковые сигналы.

Биологические исследования морских животных выявили ряд ис­ пользуемых в технике звукоизлучающих и звукоприемных устройств. Частотная и амплитудная модуляции звуковых и ультразвуко­ вых посылок морских животных осуществляется изменением струк­ туры органа, а также скорости и характера потока воздуха или

184

жидкости. Программные акустические сигналы низкого ультразвуко­ вого (или высокого звукового) диапазона могут строиться путем варьирования толщины и формы пластин, создающих звук под влия­ нием струи. В качестве приемника берется измерительный гидрофон. Далее проводится конструктивный анализ принимаемых ультра­ звуковых сигналов. Цель этих измерений: определение сегментов, характеризующих звучание той или иной пластинки.

Ультразвуковые сегменты характеризуются главным образом расположением дискретных компонент и могут обозначаться словами, составленными из цифр, указывающих частоты и относительные амплитуды главных компонент. По этим сегментам строятся гисто­ граммы, характеризующие акустические образы.

Интересная задача сегментации сигналов, которыми пользуются дельфины и некоторые другие морские животные для эхолокации, еще ждет своего решения.

Ю. И. Китайгородским и А. В. Стамовым-Витковским разработан виброметр для измерения ультразвуковых колебаний [44]. Этот прибор является бесконтактным и предназначен для определения амплитуд колебаний ультраакустических вибраторов. Он предста­ вляет из себя катушку, находящуюся вблизи колеблющейся поверх­ ности. Благодаря наличию индуктивной связи между катушкой и токопроводящей поверхностью вибратора при колебаниях послед­ него изменяется импеданс катушки. Ток, питающий катушку, имеет достаточно высокую частоту (она должна быть по крайней мере на порядок выше верхнего предела частотного диапазона иссле­ дуемых колебаний). При этом индуктивность определяется величи­ ной воздушного зазора, который является переменным вследствие колебаний вибратора. Измерительная катушка служит индуктив­ ностью в колебательном контуре автогенератора. Вибрации поверх­ ности изменяют частоту колебательного контура. Активная соста­ вляющая импеданса, зависящая от металла, будет влиять на доброт­ ность этого контура. Поэтому колебания подвергаются и частотной и амплитудной модуляции; однако благодаря амплитудному огра­ ничению влияние активной составляющей импеданса исключается. Частотно-модуляционный сигнал поступает на частотный детектор; напряжение с выхода частотного детектора усиливается и выпря­ мляется. Выходное напряжение будет давать величину, пропор­ циональную амплитуде колебаний вибратора.

Вибратор УБВ-2М работает в диапазоне амплитуд (содержащем четыре поддиапазона) от нуля (амплитудный порог не указан авто­ рами) до 130 мкм. При этом нет заметных нарушений линейности амплитудной характеристики в частотном диапазоне от 8 до 80 кГц. Несущая частота — около 30 МГц. В сочетании с другими измери­ тельными приборами виброметр позволяет снимать частотные харак­ теристики ультраакустических вибраторов, осциллограммы, исследо­ вать распределение амплитуд по поверхности вибратора.

На рис. 7.15 дана структурная схема измерительного устрой­ ства, а на рис. 7.16— частотная характеристика, которая совер­ шенно равномерна в диапазоне от 8 до 80 кГц.

185

Дальнейшее развитие этой схемы может быть выполнено так. Ультразвуковые колебания вибратора могут быть непосредственно восприняты на приемную рамку благодаря электромагнитному излу­ чению вибратора. Для построения такой схемы существенной задачей является разделение прямого излучения электромагнитного поля, создаваемого токами, питающими ультразвуковой вибратор, и того вторичного электромагнитного излучения, которое возникает бла­ годаря колебаниям поверхности вибратора. При непрерывных коле­ баниях произвести это разделение весьма затруднительно. Однако возбуждение вибратора может быть достигнуто импульсным и, пред­ почтительно, механическим толчком; тогда с помощью приемной рамки и спектроанализатора могут быть сняты при периодическом воздействии импульсов характеристики, позволяющие определить основные акустические данные вибратора.

Для возбуждения вибратора может быть использована и сверх­ звуковая струя; в этом случае осуществляется непрерывный режим. Однако сама струя является источником электромагнитного поля, которое нужно или измерять отдельно, или скомпенсировать.

Движение вихрей у поверхности вибратора создает псевдозвук; однако при этом всегда возникают звуковые составляющие, которые могут создавать помехи.

Необходимо подчеркнуть большое значение классических, уста­ новившихся, методов акустических измерений, например методы калибровки микрофонов, в которых под контролем находятся воз­ можные причины ошибок и где создаются оптимальные условия для теоретических расчетов и сопоставления теоретических данных с измеряемыми величинами. Это относится и к методам калибровки сферических гидрофонов в заглушенном бассейне в воде на низких звуковых частотах. Методы измерений в струях или низкочастотных электромагнитных полях еще далеки от того уровня, которого до­ стигли классические методы измерения.

Нет никакого сомнения в том, что бурное развитие акустики струй, кавитационных явлений, а также перспективы техники элек­

186

тромагнитных колебаний потребуют дальнейшего развития и усо­ вершенствования тех новых методов измерений, которые кратко описаны в этом параграфе. Акустические измерения газовых и водя­ ных струй составляют новую обширную область акустических изме­ рений, пока еще очень мало разработанную. В задачах, объектами которых еще в прошлом столетии были струи газа, воды и пламени, сходятся линии классических акустических измерений и линии кон­ структивных измерений, как средства изучения и овладения струк­ турными звуковыми явлениями. Применение акустики на судах и в морских условиях отражает основные тенденции современного развития акустики и служит примером взаимного усиления различ­ ных научных тенденций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей книге авторы сделали попытку с единой точки зрения описать процессы радиотехнических и акустических измере­ ний, так как многие вопросы физики явлений в акустике'и радиотех­ нике представляются настолько связанными или аналогичными, что такое объединение весьма уместно; предполагаются пути по­ строения единой теории таких измерений.

Акустические и радиофизические процессы в реальных условиях зависят от многих факторов, находящихся в непрерывном изменении, вследствие чего они не статичны и не стабильны. Возникает необхо­ димость перехода к новым методам измерений на основе вычислитель­ ной математики и техники аналоговых и электронных цифровых вычислительных машин. В связи с этим все большее значение при­ обретают конструктивные измерения. Предметом конструктивных измерений служат не отдельные физические величины, а совокуп­ ности, структуры, образы, построенные на основе множеств значе­ ний физических величин.

Вкниге показано, что в тех случаях, когда гармонический анализ

ипостроение частотно-амплитудных спектров не дают достаточного представления о сигналах, весьма эффективен конструктивный анализ. Этот метод основан на сегментации, конструктивные спектры строятся как вероятностные распределения сегментов. Конструктив­ ные спектры могут быть полезны при исследовании нестационарных

сигналов.

В настоящее время можно отметить лишь первые успехи кон­ структивной механики. Развитие конструктивной механики и ее

и предложений, причем некоторые из них носят дискуссионный ха­ рактер.

187

ПРИЛОЖ ЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

Приведенный ниже перечень аппаратуры с пояснениями не следует рассматри­ вать как каталог: сюда просто вынесены из глав книги части текста во избежание повторения описаний. Выбиралось то, что нужно для пояснения назначения узлов, входящих в структурные схемы измерительных методов.

Если читателя интересуют вопросы приобретения или производства измеритель­ ной аппаратуры, ему надлежит обратиться к отечественным и зарубежным ката­ логам.

Анализаторы1

Анализатор спектра АС-3 изготовляется в СССР, предназначен для последова­ тельного метода анализа; частотный диапазон 20—60 000 Гц; полосы пропускания шириной 1,5; 3 и 10%. Индикатор — стрелочный прибор.

Анализатор гармоник С-53 изготовляется в СССР, предназначен для последо­

вательного метода анализа; частотные диапазоны: 5—100, 20—500, 60—5000 и 400— 20 000 Гц. Полосы пропускания: 12, 60, 100 и 400 Гц. Индикатор— электронно­ лучевая трубка.

Спектрометр звуковых частот изготовляется в СССР, предназначен для парал­ лельного метода анализа; частотный диапазон 50—20 000 Гц, ширина полосы в треть октавы. Индикатор — электронно-лучевая трубка (а также стрелочный прибор, самописец).

Статистический анализатор распределения типа 4420 фирмы Брюль и Кьер изготовляется в Дании, предназначен для статистического анализа звуковых сиг­ налов методом разложения уровней измеряемых звуков на 12 интервалов; он дает цифровые показания, используемые при статическом анализе, для каждого из 12 ин­ тервалов и одно суммарное показание; максимальный отсчет для всех счетчиков 999 999; отсчет можно производить через каждые 0,1; 0,3; 1; 3 и 10 с согласно тре­ бованиям.

Анализатор частот типа 2107 фирмы Брюль и Кьер изготовляется в Дании, пред­

с самописцем уровня фирмы Брюль и Кьер, имеет линейную характеристику с точ­ ностью ±0,3 дБ в диапазоне частот 5—20 000 Гц, точность установки частоты пре­ вышает ±1% , гармоническое искажение менее 0,1%, уровень шума около 3 мкВ, максимальное усиление 100 дБ.

Входные усилители

Усилитель-преобразователь низкочастотный УЗ-12 изготовляется в СССР, предназначен для усиления электрических сигналов в диапазоне частот 10 Гц — 30 кГц, имеет неравномерность частотной характеристики 0,2—1 дБ, коэффициент усиления 100, выходное напряжение 10 В.

188

Усилитель мощности низкочастотный УЗ-27 изготовляется в СССР, предназна­ чен для усиления электрических сигналов, имеет рабочий диапазон частот 0,02— 200 кГц, выходную .мощность 4 и 6 Вт, неравномерность частотной характеристики

±0,3 и ±0,5 дБ.

Усилитель постоянного и переменного тока У4-2 изготовляется в СССР, пред­ назначен для усиления электрических сигналов в диапазоне частот 0—20 кГц’; коэф­ фициент усиления до 80 дБ, выходное напряжение 10 В, погрешность установки усиления ±0,5 дБ.

Генератор тактовых импульсов

Генератор меток времени 45-7 изготовляется в СССР, имеет уровень импуль­ сов 1—3 В и длительность импульса 20—80 мкс; нестабильность частоты импульсов меток времени ± 0 ,5 - 10“3 за 10 с.

Записывающие устройства (самописцы)

Самописец электрических колебаний типа НПО изготовляется в СССР, пред­ назначен для непрерывной записи в логарифмическом или линейном масштабе уровня напряжения в диапазоне частот от 20 Гц до 200 кГц и мгновенного значения на­

Самописец электрических колебаний типа Н370М изготовляется в СССР, пред­ назначен для измерения и непрерывной записи постоянного и переменного (45— 5000 Гц) напряжений; класс точности 1,5 на постоянном токе и 2,5 на переменном токе, ширина рабочей части диаграммы 100 мм; имеет шесть скоростей движения диаграммы; 20, 60, 180, 600, 1800 и 5400 мм/ч, пределы измерений 5, 15, 50, 150,, 250 и 500 В постоянного и переменного тока.

Переносной многопредельный самопишущий прибор Н36 изготовляется в СССР, предназначен для измерения и записи постоянного и переменного (частотой от 45 до 100 000 Гц) напряжения; класс точности прибора 1,5 для постоянного тока и 2,5 для переменного тока; имеет следующие пределы измерений: 5, 15, 50, 150, 500 мВ. и 1,5; 5; 15; 50; 150; 500 В, ширина диаграммы 100 мм, скорости движения диа­ граммы 20, 60, 180, 600, 1800, 5400 мм/ч.

Самописец 2305 фирмы Брюль и Кьер изготовляется в Дании, предназначен для работы в диапазоне частот 0—200 кГц, имеет следующие динамические диапа­ зоны: 10, 25, 50 и 75 дБ, 10—35 и 10—ПО мВ, входное сопротивление 180 Ом, ми­ нимальный сигнал 10 мВ; осуществляется фильтрация низких частот 10, 20, 50 и 200 Гц; погрешности при измерениях составляют не более ±0,5 дБ, скорость за­ писи можно менять в пределах 2—2000 мм/с, а скорость движения бумаги — в пре­ делах 0,0003—100 мм/с.

Самописец PSG-101 фирмы RFT изготовляется в ГДР, предназначен для ра­ боты в диапазоне частот 0,002—100 кГц, имеет следующие динамические диапазоны: 10, 25, 50 и 75 дБ, 10—35 и 10—ПО мВ; входное сопротивление 180 Ом, минималь­ ный сигнал 5—10 мВ; осуществляется фильтрация низкйх частот 2, 20 и 200 Гц; погрешности при измерениях составляют не более 0,2 дБ; скорость записи можно менять в пределах 2—1000 мм/с, а скорость движения бумаги — в пределах 0,001 — 100 мм/с.

Запоминающие устройства

Накопитель на магнитной ленте (запоминающее устройство) НМЛ-67 изготов­ ляется в СССР, имеет емкость 2 -108 двоичных знаков, среднее время обращения до. 180 с при длине ленты 730 м, скорость передачи данных 512 000 двоичных знаков.

189)

в секунду, ширину ленты 12,7 мм, плотность записи 32 имп/мм, габаритные размеры

1720X705X675 мм.

Накопитель на магнитной ленте (запоминающее устройство) НМЛ-4-2 изго­ товляется в СССР, имеет емкость 2,2-107 двоичных знаков, время обращения 2 мин,

количество барабанов 8, время обращения 130 мкс, плотность записи 20 дв. зн./мм, частота обмена до 80 кГц, габаритные размеры 1720X1130X600 мм.

Измерительные гидрофоны

Гидрофон ВНИИМ изготовляется в СССР, предназначен для измерения звуко­ вого давления в воде в диапазоне частот от 50 Гц до 20 кГц, имеет чувствительный элемент в виде сферы из керамики ЦТС диаметром 20 мм с покрытой слоем хрома и отполированной поверхностью; чувствительность гидрофона 13—15 мкВ-м2/Н.

Гидрофон типа Д-315 изготовляется в США, предназначен для измерения зву­ кового давления в воде в диапазоне частот от 100 Гц до 150 кГц, имеет динамический диапазон от 0,2 до 106 Н/м2, максимальное статическое давление 35-105Па, сопротив­ ление выхода усилительного устройства 600 Ом, содержит пакет пьезопластинок, помещенных в баллоне с касторовым маслом, причем чувствительность пьезоэле­ мента 120 мкВ-м2/Н.

Гидрофон типа М-115 изготовляется в США, предназначен для измерения зву­ кового давления в воде в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц, работает при погру­ жении на глубину до 600 м.

Измерительные усилители

Измерительный усилитель типа Ф73 изготовляется в СССР, предназначен для измерения постоянного и переменного тока от 0,3 мкА до 150 мА и напряжения

грешность при измерении напряжения составляет менее 1,5%; может работать с са­ мопишущими приборами типа Н370, Н371, Н375, Н386, Н387.

Измерительный усилитель У2-4 изготовляется в СССР, предназначен для из­ мерения слабых сигналов в диапазоне частот (разбитом на шесть поддиапазонов) от 150 до 20 000 Гц, может работать в режимах узких и широкой полос пропу­ скания.

Измерительный усилитель постоянного и переменного напряжений У4-1 из­ готовляется в СССР, предназначен для усиления напряжения в полосе частот 0— 20 кГц; неравномерность частот составляет не более ±20% , максимальный коэф­ фициент усиления 50 000 ±5% , нелинейность амплитудной характеристики уси­ лителя не превышает 8%.

Измерительный усилитель постоянного и переменного напряжения УИПП-2 изготовляется в СССР, предназначен для измерения постоянного и переменного на­ пряжений в полосе усиливаемых частот от нуля (постоянное напряжение) до 20 кГц с неравномерностью, составляющей менее 10%; максимальный коэффициент усиле­ ния 50 000 с точностью ±5% , нелинейность амплитудной характеристики не пре­ вышает 3%.

Микрофоны

Однодюймовый конденсаторный микрофон типа 4131/32 фирмы Брюль и Кьер изготовляется в Дании, имеет частотную характеристику в свободном поле от 20 Гц до 18 кГц, неравномерность ± 2 дБ, чувствительность 50 мВ-м2/Н, динамический диапазон от 15 до 146 дБ, резонансную частоту 10 кГц.

Полудюймовый конденсаторный микрофон типа 4133/4134 фирмы Брюль и Кьер изготовляется в Дании, предназначен для измерения в свободном поле, об­ ладает частотной характеристикой ± 2 дБ в пределах от 20 Гц до 40 кГц; чувстви­ тельность после катодного повторителя 10 мВ/Па, динамический диапазон от 32 до 160 дБ при нулевом уровне, резонансная частота 25 кГц; для микрофона типа 4134 частотная характеристика по давлению составляет от 20 Гц до 20 кГц.

190