книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

сопротивлении R. Сам измеритель включает в себя гидрофонный предусилитель, фильтры и другие электронные узлы. Он может содержать также генератор напряжения, подаваемого на R. Отсчет по вольтметру, самописцу, осциллографу или какомулибо другому прибору используется для измерения или наблю­ дения сигнала на выходе системы, обозначенного е0. Если R мало по сравнению с Z и с входным сопротивлением измери-

/

Р и с. 2.57. Прибор для измерения акустического шума. 1 — генератор Тевенина, замещающий гидрофон; 2 — измеритель (предусилитель, фильтры и т. д.); 3 — калибровочный сигнал.

теля, то отношение e0/eg = e0 /e, = К, где /( — градуировочная по­ стоянная прибора. Тогда

В случае синусоидального звукового давления (2.109) может служить градуировочной формулой, причем е01р — чувствитель­ ность системы, выраженная через известную чувствительность гидрофона М и постоянную измерителя К-

Если р является среднеквадратичным давлением шума в по­ лосе частот, то М и К должны быть известны для всей полосы частот, а е02 должно быть пропорционально р2 или полной мощ­ ности в частотной полосе. Обычные вольтметры, даже если они отградуированы в единицах среднеквадратичного напряжения, не являются измерителями мощности. Объединение (2.107) и (2.109) дает

PSL = 20 lg е0 - 20 lg М/С- 20 lgр0 - 10 lg А/. (2.110)

Используется значение М/С на центральной чистоте полосы про­

пускания. Любое изменение М и К с частотой при этом учиты­ вается введением эффективной ширины полосы А/. На рис. 2.58показана зависимость (М/С) 2 от частоты. Если по осям исполь­ зуется линейный масштаб, то площадь под сплошной кривой пропорциональна мощности, проходящей через систему гидро­ фон—фильтр измерителя. Для нахождения этой площади приме-' няют планиметр или другой графический метод, а затем нахо­ дят характеристику идеального фильтра, показанную пункти­ ром, ограничивающим равновеликую площадь. За высоту ха­ рактеристики пропускания идеального фильтра принимается

Рис. 2.58. Характеристики реального (сплошная кривая) и эквивалентного идеального (пунктирная) фильтров.

значение (М/С) 2 на центральной частоте /о- Идеальная, или эф­ фективная, ширина полосы равна тогда Af, как показано на рисунке. Выбор центральной частоты f0 довольно произволен. Можно выбирать частоту, на которой (М/С) 2 имеет максимум. Тогда, поскольку произведение (М/С) 2 А/ фиксировано, lOlgAf уменьшается на ту же величину, на какую увеличивается 2 0 lg М/С, и (2.110) не меняется. При этом М/С, ро и А/ в (2.110) из­ вестны, и PSL определяется выходным напряжением е0 измери­ теля.

2.16.2. Уровень звукового давления, эквивалентного шуму

Звуковое давление, эквивалентное шуму, — это среднеквад­ ратичное давление, создаваемое нормально падающей синусои­ дальной волной, создающей то же самое зыходное напряжение холостого хода, что и собственный электрический шум гидро­ фона, который измеряется как среднеквадратичное напряжение в полосе 1 Гц. Приравнивая эти два напряжения и разрешая по­ лученное соотношение относительно р, получаем

где М — чувствительность гидрофона в свободном поле, а еп — шумовое напряжение. Теоретически еп измеряется почти таким же образом, как напряжение ее электроакустического генератора,.

6.Cook R. К., Absolute pressure calibration of microphones, J. Acoust Soc Am., 12, 415 (1941).

7.Summary Technical Report of NDRC, Division 6, Vol. 10, Sonar Calibra­ tion Methods, 1946.

8.McMillan E. M., Violation of the reciprocity theorem in linear passive elec­ tromechanical systems, J. Acoust. Soc. Am., 18, 344 (1946).

9.Bobber R. J., Darner C. L., A linear passive nonreciprocal transducer, J. Acoust. Soc. Am., 26, 98 (1954).

10. Bobber R. J., A general reciprocity parameter, J. Acoust. Soc. Am 39 680 (1966).

11. Foldy L. L., Primakojf H., General theory of passive linear electroacou­

stic transducers and the electroacoustic reciprocity theorem, I, J. Acoust Soc Am., 17, 109 (1945); and Part II, 19, 50 (1947).

12. Carstensen E. L., Self-reciprtfcity calibration of electroacoustic transducers,

J.Acoust. Soc. Am., 19, 961 (1947).

13.Sabin G. A., Transducer calibration by impedance measurements, J. Acoust. Soc. Am., 28, 705 (1956).

15.Bobber R. J., Sabin G. A., Cylindrical wave reciprocity parameter, J. Aco­ ust. Soc. Am. 32, 923(A) (1960); 33, 446 (1961).

16.Simmons B. D., Crick R. J., Plane wave reciprocity parameter and its

application to calibration of electroacoustic transducers at close distances,

J.Acoust. Soc. Am., 21, 633 (1949).

17.Beatty L. G., Reciprocity calibration in a tube with active-impedance ter­ mination, 4- Acoust. Soc. Am., 39, 40 (1966).

18.Beatty L. G., Bobber R. J., Phillips D. L., Sonar calibration in a highpressure tube, J. Acoust. Soc. Am., 39, 48 (1966).

19.Sims С. C., Henriquez T. A., Reciprocity calibration of a standard hydro­ phone at 16,000 psi, J. Acoust. Soc. Am., 36, 1704 (1964).

20.McMahon G. A., Coupler-reciprocity system for hydrophone calibration at high pressure, J. Acoust. Soc. Am., 36, 2311 (1964).

21.Голенков A. H.,' Градуировка инфразвуковых гидрофонов методом вза­ имности в малой камере с водой. Измерительная техника, № 8, 637 (1959).

25.Wente E. C., The Thermophone, Phys. Rev., 19, 333 (1922).

26.Kaye G. W. C. Acoustical work of the National Physical Laboratory, J.

1949, Sec. 4.4. (Русский перевод: Л. Л. Беранек, Акустические измерения, ИЛ, М„ 1952.)

29.Sims С. С., Bobber R. J., Pressure phone for hydrophone calibrations, J. Acoust. Soc. Am., 31, 1315 (1959).

30.Sims С. C., Hydrophone calibrator, U. S. Navy Underwater Sound Refe­

rence Lab. Res. Rep. № 60, 12 April 1962 (AD .279-904); см. также Rapid calibrator for small hydrophones, J. Acoust. Soc. Am., 36, 401 (1964).

31. Schloss F., Strasberg M., Hydrophone calibration in a vibrating column of liquid, J. Acoust. Soc. Am., 34, 958 (1962).

32.Summary Technical Report of NDRC, Division 6, Vol. 11, Sonar Calibra­ tion Measurements, 1946, p. 42.

33.Olson H. F., Mechano-electronic transducers, J. Acoust. Soc. Am., 19, 307 (1947).

34.Bobber R. I., Electronic hydrophone for calibrations at very low frequencies. J. Acoust. Soc. Am., 26, 1080 (1954).

35.Beatty L. G., The dunking machine method of hydrophone calibration at infrasonic frequencies, U. S. Navy Underwater Sound Reference Lab. Res. Rep. № 35, 1955: [AD 75-330].

36.Голенков A. H., Абсолютная градуировка приемников инфразвукового давления в воздушно-водном резонаторе с гидростатическим возбужде­ нием, Измерительная техника, № 5, 41—46 (1965), а также доклад К-41, 5-й Международный акустический конгресс, Льеж, Бельгия, сентябрь 1965.

37.Hueter Т. F., Bolt R. Н., Sonics, John Wiley & Sons, New York, 1955, p. 43.

38.Fieldler G., Siemens-Sonotest, U. S. Pat. 2,531,844, Nov. 28, 1950 (manu­ factured by Siemens-Reiniger Co., Erlangen, FRG).

39.Laufer A. R., Thomas G. L., New method for the calibration of a plane hydrophone, J. Acoust. Soc. Am., 28, 951 (1956).

40.Bauer В. B., A laboratory calibrator for gradient hydrophones, J. Acoust. Soc. Am., 39, 585(L) (1966).

41. Rraus J. D., Antennas, McGraw-Hill Book Co, New York, 1950, Chaps. 2, 3 and 4.

42.Olson H. F., Acoustical Engineering, D. Van Nostrand Co., Princeton, N. J., 1957, Chap. II.

43.Albers V. M., Underwater Acoustics Handbook, Pennsylvania State Univ. Press, 1960, Chap. 11.

46.Stenzel H., Die akustische Strahlung der rechteckigen Kolbenmetnbran, Acustica, 2, 263 (1952).

47.Molloy С. T Calculation of the directivity index for various types of ra-'

50.Summary Technical Report of NDRC, Division 6, Vol. 10, Sonar Calibra­ tion Methods, 1946, Chap. 4.

51.Kendig P. M., Mueser R. E., A simplified method for determining trans­ ducer directivity index, J. Acoust. Soc. Am., 19, 691 (1947).

52.Резников A. E., Снытко А. Я-, К вопросу об измерении коэффициента осевой концентрации ультразвукового излучателя. Измерительная тех­

ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ В СВОБОДНОМ ПОЛЕ

3.1. ВВЕДЕНИЕ

Большинство подводных электроакустических измерений от­ носится к измерениям в дальней зоне свободного поля. Почти все остальные методы, описанные в гл. II, являются специаль­ ными и не находят такого широкого использования, как изме­ рения в свободном поле. Практически каждая лаборатория, за­ нимающаяся подводными исследованиями и разработками, имеет оборудование для измерений в свободном поле; это же отно­ сится ко многим морским лабораториям и к некоторым универ­ ситетам. Соответствующее оборудование обычно имеет значи­ тельные размеры, так как измерения в дальней зоне свободного поля нельзя провести на лабораторном столе, за исключением, возможно, высоких ультразвуковых частот. Оборудование обычно далеко не идеально соответствует условиям измерений, требуемым теорией; поэтому весьма важное значение приобре­ тает правильная процедура измерений в свободном поле.

Теория электроакустических измерений в дальней зоне сво­ бодного поля предъявляет к процедуре измерений немного тре­ бований. Все, что необходимо, это: 1) свободное поле, 2) доста­ точно большое расстояние излучатель—гидрофон, чтобы удов­ летворить критериям свободного поля, 3) приборы, измеряющие силу тока или напряжение на входе и выходное напряжение хо­ лостого хода, и 4) известные значения некоторых параметров, например расстояния, плотности воды и частоты. Эти параметры легко определить, а кажущаяся простота трех первых требова­ ний обманчива. В частности, требование свободного поля яв­ ляется большой и сложной проблемой. Истинное свободное поле, или однородная безграничная среда, конечно, лишь идеа­ лизированное понятие. Основное количество практических труд­

ного поля.

Эти теоретические требования, а также соображения удоб­ ства и экономии привели к разработке различных процедур из­ мерений, рассматриваемых в следующих разделах. Детали про­ цедуры измерений сильно меняются от места к месту и, конечно, меняются со временем. Большая часть вопросов, обсуждаемых

в этой главе, имеет первостепенное значение для практики из­ мерений, хотя не все они в одинаковой степени применимы к конкретным измерительным задачам.

3.2. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ВОДОЕМЫ И ИСПОЛЬЗУЕМОЕ В НИХ ОБОРУДОВАНИЕ

Для измерений в условиях свободного поля используют раз­ личные естественные водоемы — озера, пруды, большие родники, реки, затопленные карьеры, океанские заливы, — а кроме того, такие водоемы, как искусственные пруды и лабораторные бас­ сейны, но для их использования необходим импульсный режим работы, и они рассматриваются отдельно в разд. 3.12. Основные требования к естественным водоемам состоят в следующем: 1) достаточно большие размеры, чтобы интерференцию, обус­ ловленную отражениями от поверхности, можно было устранить путем использования импульсного режима, применения погло­ щающих покрытий или за счет затухания при распространении на большие расстояния, 2) низкий уровень окружающего шума и 3) водная среда должна быть относительно свободна от всего, что может вызвать преломление или рассеяние звука (те­ чений, градиентов температуры, морских организмов, пузырей и загрязнителей). Для обеспечения низкого уровня окружающего шума, стабильности платформы и удобств проведения измере­ ний желательна защита от ненастной погоды.

Вспомогательные платформы, используемые при измерениях, бывают разные: пирсы, мосты, баржи или другие полуподвижные плавающие сооружения, а также лодки и корабли. Пирсы и мосты обеспечивают наилучшие удобства и стабильность усло­ вий работы. Если же водоем большой и глубокий, нужно исполь­ зовать плавучую конструкцию, а стабильность и удобства обеспе­ чиваются вертикальным . размером конструкции и коммуника­ циями, проходящими под водой или идущими к берегу.

Критическим размером естественных водоемов является глу­ бина, так как обычно она меньше горизонтальных размеров, а также потому, что поверхность раздела вода—воздух и дно являются основными отражающими поверхностями. Боковые границы естественных водоемов обычно находятся на значитель­ ных расстояниях и имеют наклоны, образуя вместе с поверх­ ностью раздела вода—воздух естественные клинообразные ло­ вушки для звука, в которых звуковые лучи, распространяю­ щиеся почти горизонтально, многократно отражаются между дном и поверхностью, отдавая при каждом отражении часть энергии в воздух или в грунт.

Песок, ил или грязь на дне частично поглощают звук при условии, что в них не содержится распадающегося органического вещества. Однако если на дне имеются разлагающиеся органи­

Температурные градиенты в месте расположения преобразо­ вателя или поблизости от него тоже создают помехи при граду­ ировке. Звуковые лучи преломляются из-за них и, конечно, могут привести к ошибкам в измерениях. На рис. 3.1 показаны некоторые температурные разрезы, или термоклины, для озера Джем-Мэри в Орландо (штат Флорида), полученные до того, как были при­ няты меры для устранения градиентов. Некоторые виды рыб,

Рис. 3.1. Типичные термоклины в озере Джем-Мэри, Орландо (штат Фло­ рида). Средняя глубина озера вблизи места расположения измерительного оборудования равна 8—9 м.

вероятно, предпочитают определенную температуру воды, что ведет к концентрации рыбы на определенных глубинах. Темпе­ ратурные градиенты в малых спокойных водоемах выше всего вблизи поверхности и в теплую погоду. В глубоких озерах влия­ ние градиента при электроакустических измерениях становится пренебрежимо малым на глубинах порядка 15—30 м. Состояние

без градиентов, наиболее близкое к изотермическому, обычно бы­ вает весной. Небольшие озера и пруды можно сделать изотер­ мическими с помощью принудительной вертикальной циркуля­ ции воды. На полигоне Додж-Понд, принадлежащем Гидроаку­ стической лаборатории ВМ.С в Нью-Лондоне (штат Коннек­ тикут), для этой цели используется мощный насос низ­ кого давления. На озере Джем-Мэри в Орландо (штат Фло­ рида) вблизи дна под тем .участком озера, где проводятся