книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения
.pdf192 |
Гл. III. Основы измерений в свободном поле |
что ближайшая отражающая граница расположена или парал лельно акустическому пути прямого сигнала (боковая стенка, дно, поверхность), или перпендикулярно ему (торцевые стены).
Согласно второму допущению, поглощение на границе слу жит в основном для быстрого затухания реверберации в про межутке между импульсами. Многие неотражающие покрытия, особенно на низких частотах, эффективны только частично. От ражения ослабляются, но не устраняются. Импульсная мето-
Р и с. 3.56. Пути |
прямого |
и отраженного сигналов в измерительном бассейне; |
d — |
требуемое |
расстояние между преобразователями. |
дика работы (разд. 3.8) основана на том, что разность путей распространения первого прямого и первого отраженного им пульсов больше, чем длина импульса. Это значит, что гидрофон должен успеть принять установившуюся часть прямого им пульса до того, как передний фронт отраженного импульса до стигнет гидрофона. Минимальная разность путей составляет тогда т секунд или ст метров, где с — скорость звука в воде в м/с. Минимальную длину L и ширину (или глубину) W бас сейна тогда можно вычислить по рис. 3.56;
L = d A r C’z, |
(3.26) |
W = [(flf+c-c)2 - d2\4' = (2dcT + c2T2)v\ |
(3.27) |
Эти основные уравнения можно связать с параметрами преоб разователя, используя дальнейшие допущения.
Чтобы импульс достиг установившегося состояния, требуется Q периодов, где Q характеризует весь тракт излучения, а не только излучатель. Поэтому можно предполагать, что мини мальная требуемая длина импульса составляет Q периодов, или QK метров, в тех случаях, когда размеры диафрагмы преобра
3.12. Размеры и оборудование бассейнов |
193 |
зователя бесконечно малы в направлении |
распространения |
звука. Когда это не так, длину импульса необходимо увеличить, чтобы покрыть весь преобразователь эффективным установив шимся сигналом.
При выборе длины импульса равной Q периодам возникает вопрос о точности измерений. На рис. 3.57 показано асимптоти ческое приближение к установившемуся состоянию. В точке, где n/Q = l, амплитуда еще на 0,4 дБ, или на 4,5%, занижена.
Рис. 3.57. Амплитуда звукового давления от резонансного излучателя, воз буждаемого ступенчатым электрическим импульсом. Кривые построены по
уравнению /?п/р0= 1 — е — im / Q , где р0— установившееся значение давления (п —>оо), рп — давление после п периодов, Q — добротность преобразователя. Пунктиром показан спадающий переходный процесс. Заштрихованная область соответствует форме импульса при n = Q.
Лучшую точность можно получить при использовании более длинных импульсов, но за счет увеличения размеров бассейна, что видно из уравнений (3.26) и (3.27).
При длине импульса, равной Q периодам, предполагается, что система измерения напряжения сможет работать с пилооб разным импульсом, использованным на рис. 3.57.
Следующее допущение заключается в том, что один из пре
образователей считается малым |
по сравнению с |
длиной |
волны, — например, используется |
точечный гидрофон. |
Другой |
преобразователь может быть большим, но его максимальный размер не должен превышать пяти длин волн. Теоретические диаграммы направленности поршневых преобразователей разме ром в пять длин волн показаны на рис. 3.58. Ширина основного
13 Заказ № 730
Рис. 3.58. Теоретические диаграммы направленности для поршня диаметром пять длин волн (слева) и для линии длиной пять длин волн (справа).
Рис. 3.59. Для снятия диаграммы направленности преобразователя диамет ром или шириной D, разориентированного на 30°, нужен импульс с длиной установившегося участка £)/2.
3.12. Размеры и оборудование бассейнов |
195 |
лепестка по уровню —10 дБ меньше 20°, |
т. е. такая же |
узкая, как и у большинства преобразователей. По критерию минимального расстояния, например по неравенству (3.15), ли нейные размеры бассейна приблизительно пропорциональны квадрату размера преобразователя. Поэтому важно выбрать
Рис. 3.60. Длина (сплошные прямые) и ширина или глубина (пунктирные прямые) бассейна, требуемые для измерения диаграммы направленности пре образователя с максимальным размером в пять длин волн.
разумный предел. Когда нужно измерить характеристики пре образователей больших размеров с более острой диаграммой направленности, нужно иметь специальные критерии.
Последнее предположение состоит в том, что максимальное допустимое расстояние d выбирается по неравенству (3.17). Объединяя это неравенство с наибольшим размером преобра зователя £> = 5А, получим для d на рис. 3.56
d= 5D = 25A . |
(3.28) |
Согласно неравенству (3.17), установившаяся часть самого длинного импульса должна быть равна D/2 м, или 2,5 длины
13*
196 |
Гл. III. Основы измерений в свободном поле |
волны. На рис. .3.59 иллюстрируются требования к длине им пульса в соответствии с неравенством (3.17) или при измере нии диаграммы направленности преобразователя в секторе 60° с центром на акустической оси. Для этого случая с максималь ной длиной импульса и D = 5K имеем
cx= Q X + 2 -^ 7 = (q + 2 4 - ) x- |
(3.29)- |
Объединяя теперь уравнения (3.28) и (3.29) с уравнениями
(3.26) и (3.27), получаем
L = (27,5+Q)l, |
(3.30) |
U 7= [50(Q + 2 4 -) + (Q + 2 - ^ ) 2]’^ . |
(3.31) |
Уравнения (3.30) и (3.31) представлены графически на рис. 3.60, где длина волны переведена в частоту.
3.13. АКУСТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫЙ СОСУД ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Замкнутые бассейны, достаточно большие, чтобы в них можно было проводить измерения в условиях свободного поля, и достаточно прочные, чтобы выдерживать гидростатические давления в несколько десятков тысяч паскалей, очень дороги. Альтернативным решением в ряде случаев могут служить не большие, акустически прозрачные, замкнутые сосуды высокого давления. Если исследуемый преобразователь поместить в та кой сосуд, а последний целиком погрузить в больший объем воды, то возможность обычных измерений в условиях свобод ного поля будет определяться только размерами этого большего объема воды. Переменные гидростатическое давление и тем пература, создаваемые в сосуде, действуют только на исследу емый преобразователь. Другие преобразователи находятся вне сосуда, как показано на рис. 3.61.
Используются сосуды из стекловолокна [19, 20]. Срок их жизни, выраженный в циклах изменения давления, меньше, чем у равновеликого стального сосуда, но это компенсируется де шевизной сосуда из стекловолокна.
Изготовляются такие сосуды путем намотки стеклянных во локон на оправку. Намотка покрывается смолой, которая обес печивает связь между волокнами. Резиновый внутренний слой отделяет полость сосуда от воды в открытом водоеме. При на мотке волокон на оправку получаются отверстия с двух концов. Одно отверстие делается достаточно большим и служит для введения преобразователя, другое — маленьким и служит для
3.13. Акустически прозрачный сосуд высокого давления |
197 |
сброса избыточной жидкости. Если сосуд мал, преобразователи, помещаемые внутрь сосуда, обычно жестко крепятся к сталь ной крышке, и преобразователь поворачивается вместе с со судом.
Поскольку используемый материал гетерогенен и анизотро пен, его акустические характеристики трудно определить теоре тически. Вся имеющаяся информация получена эмпирически.
Рис. 3.61. Устройство с акустически прозрачным сосудом высокого давления для испытаний и оценки преобразователей. 1 — контроль температуры и дав ления; 2 — стальная крышка; 3 — намотка из стекловолокна с резиновым покрытием (акустически прозрачные); 4 — спускное отверстие.
Стеклянные сосуды полностью прозрачны только на низких звуковых частотах. Звукоизоляция стенок сосуда монотонно увеличивается с повышением частоты до величины 8 дБ в уль тразвуковом диапазоне. Могут проявиться резонансы сосуда с водой на звуковых частотах. Когда стенки имеют значитель ную звукоизоляцию, они начинают отражать звук. Внутри со суда также имеются внутренние отражения, и для устранения помех необходимо использовать импульсный режим.
Основное образование отражений происходит от стенки со суда за преобразователем. Низкочастотный предел импуль сного режима работы определяется путем, проходимым таким отраженным сигналом, или радиусом сосуда. Увеличение ра диуса не обязательно улучшит дело, поскольку при заданной
198 Гл. III. Основы измерений в свободном поле
прочности сосуда толщина стенки увеличивается с его радиу сом. Между давлением и размером сосуда имеется соотношение, оптимизирующее область перекрытия частотного диапазона, в ко тором сосуд совершенно прозрачен и можно работать в непре рывном режиме, и диапазона, где необходимо использовать им
пульсный режим.
Чтобы определить звукоизоляцию стенок в зависимости от частоты и давления, применяется образцовый гидрофон. Этот гидрофон можно использовать в качестве образцового и при градуировках методом сравнения, описанным в разд. 2.2.1. Если нет заметного изменения звукоизоляции в зависимости от дав ления, то разумно предположить, что и звукоизоляция стенок сосуда, и чувствительность преобразователя не меняются. Ве роятность одинаковых, но противоположных изменений этих характеристик в широком диапазоне частот пренебрежимо мала. Такие измерения «без изменений» наблюдались [19, 20] при ис пользовании преобразователей F27 и F30, описанных в разд. 5.9.1 и 5.9.2. Если изменения наблюдаются и нет образцового преоб разователя с известной чувствительностью во всем диапазоне частот, то внутренний преобразователь и сосуд оцениваются как единое целое.
Если |
акустически прозрачный сосуд достаточно велик и |
в него |
можно поместить два преобразователя одновременно, |
гак чтобы расстояние между ними удовлетворяло критерию ми нимального расстояния, рассмотренному в разд. 3.4, то этот со суд можно использовать как бассейн, описанный в разд. 3.12.
3.14. СИСТЕМА КООРДИНАТ ДЛЯ ОРИЕНТАЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Для связи данных градуировки с преобразователем исполь зуется стандартная левая система полярных координат [6] (рис. 3.62). Эта система фиксирована относительно преобразова теля. Начало координат всегда располагается в акустическом центре преобразователя. Другие параметры системы коорди-
2нат подчиняются изложенным ни же условиям, если не вводится другого определения. Предпола гается, что в нормальном поло жении преобразователь излучает или принимает звук в горизон тальном направлении.
а) Положительная ось Z (0 =
= 0°) направлена вертикально, когда преобразователь находится в нормальном положении.
3.14. Система координат для ориентации преобразователей |
199 |
б) Положительное направление оси X (ф= 0°, 0= 90°) |
явля |
ется направлением нормального распространения, или направ лением акустической оси.
в) Чувствительность измеряется в направлении оси X.
г) Точечные или сферические преобразователи ориентиру-
L
Z
Рис. 3.63. Система коорди нат для точечного и сфери
ческого |
преобразователей. |
|
1 — опорная метка по оси Z: |
||
кабельный |
ввод; |
2 — опор |
ная метка по оси X: риска, |
||
серийный номер |
и т. д. |
|
Y
Рис. 3.64. Система координат для линей ного или цилиндриче ского преобразова теля. Обозначения те же, что на рис. 3.63.
ются в этой координатной системе произвольным образом, но должны быть указаны опорные точки (риски, номера, головки винтов, ввод кабеля и т. д.) на оси X или Z. На рис. 3.63 при веден пример таких точек.
д) Цилиндрические или линейные преобразователи ориен тируются так, чтобы ось цилиндра или линия совпадала с осью Z. Опорная метка наносится в положительном направлении оси X в плоскости XZ. Пример приведен на рис. 3.64.
е) Плоские или поршневые преобразователи ориентируются так, чтобы плоскость или передняя поверхность поршня распо лагалась в плоскости YZ, а ось X была направлена перпенди кулярно поверхности и проходила через акустический центр.
200 Гл. III. Основы измерений в свободном поле
Опорная метка наносится в направлении оси Z в плоскости XZ (рис. 3.65). Если используется ориентация, отличная от услов
ленной, то вместе с данными градуировки |
нужно приложить |
||||
|
чертеж типа рис. 3.63—3.65, объ |
||||
|
ясняющий ориентацию преобразо |
||||
|
вателя. |
определения |
ориентации |
||
|
Для |
||||
|
полярной |
диаграммы |
указыва |
||
|
ются: 1) радиус-вектор 0° (пер |
||||
|
пендикулярно |
акустической оси, |
|||
|
если он лежит в полярной плос |
||||
|
кости) и 2) радиус-вектор 90°. |
||||
|
Если |
радиус-вектор |
совпадает |
||
|
с одной из осей X, Y |
или Z, то |
|||
|
используются |
соответствующие |
|||
|
им символы, а не углы 0 и ср. На |
||||
|
пример, диаграмма направлен |
||||
Рис. 3.65. Система координат для |
ности XY означает, что 0° распо |
||||
лагается |
в направлении оси X, |
||||
плоского или поршневого преобра |
а 90° — в направлении оси У. При |
||||
зователя. Обозначение то же, что |
|||||
на рис. 3.63. |
меры |
диаграмм направленности |
|||
Z
»
I
Рис. 3.66. Ориентация полярной диаграммы в плоскости XY. Сплошной стрелкой показана ось вращения, направленная вертикально вверх. Пунктир ная стрелка — направление наблюдения.
г
l
Рис. 3.67. Ориентация полярной днаРис. 3.68. Ориентация полярной диаграммы в плограммы в плоскости XZ. Обозначения скости YZ. Обозначения те же, что на рис. 3.66.
те же, что на рис. 3.66.