книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

напряжение холостого хода, а если элементы соединены парал­ лельно, то измеряется выходной ток короткозамкнутой цепи.

Для расчета диаграмм направленности в вертикальной плоскости по измерениям в ближнем поле, как это показано на рис. 4.2, требуется, чтобы уровни сканирования измеритель­ ного гидрофона располагались близко друг от друга. На рис. 4.6

Рис. 4.5. Сравнение диаграмм на­ правленности, измеренных (кри­ вые) и вычисленных (точки) для дальнего поля в горизонтальной плоскости цилиндрического преоб­ разователя из 12 рабочих полос по данным, полученным с линей­

ным гидрофоном-зондом [7].

приведены диаграммы направленности, рассчитанные по данным 27 и 11 уровней. Расстояние между уровнями в обоих случаях было меньше 0.8А,.

Рис. 4.6. Сравнение диаграмм направленности, измеренных (кривые) и вы­ численных (точки) для дальнего поля в вертикальной плоскости цилиндри­ ческого преобразователя из 6 активных полос по данным с 27 (слева) и с 11 (справа) уровней.

Чувствительность преобразователя в режиме излучения и ее абсолютные уровни, рассчитанные методом DRL, согласовались в пределах ± 1 дБ с результатами обычных измерений в даль­ нем поле.

Бейкер также провел измерения с плоским, дипольным, ли­ нейным и линейно-коническим преобразователями. Имевшиеся расхождения с измерениями в дальнем поле составляли порядка 1—2 дБ на основном лепестке и на первых боковых лепестках диаграммы направленности. Уровни последующих боковых ле­ пестков, которые на 20 и более децибел меньше осевого уровня, в большинстве случаев измерялись слишком неточно, чтобы их

При использовании метода DRL для измерений в импульс­ ном режиме требуемый объем воды, вероятно, достигает практического минимума. Только изобретение идеального звуко­ поглощающего покрытия, которое позволило бы исключить по-

240 см

Рис. 4.8. Расположение цилиндрического преобразователя в тонкостенном стальном баке [7].

мехи, связанные с отражениями от границ, могло бы еще более уменьшить требуемый объем воды. На рис. 4.8 показаны раз­ меры водоема, который использовал Бейкер. Диаметр бассейна превосходит диаметр преобразователя менее чем в 3 раза.

казать, что отношение давления дальнего поля к давлению ближ­ него поля для линейного или тонкого цилиндрического преобра­ зователя равно Lr2lr{k'i2, где г2 —~ опорное расстояние при опре­ делении чувствительности преобразователя, излучающего

в ближнем поле определялось путем применения техники ска­ нирования и интегрирования при помощи точечного или линей­ ного гидрофона.

Применение параметра взаимности фактически эквивалентно особому случаю метода DRL, или метода Кирхгофа—Гельм­ гольца. Если в уравнении (4.4) мы примем cos (3=1, модуль ин­

Соотношение (4.9) совпадает с (4.6).

Вместо того чтобы от частного случая применения формулы Кирхгофа—Гельмгольца, или метода DRL,с ихрасчетными проблемами перейти к более общему случаю, Тротт поступил иначе. Он поменял ролями излучатель и гидрофон и представил сканирующий преобразователь как точечный источник, который при интегрировании за некоторый период времени должен соз­ давать плоскую волну согласно принципу Гюйгенса. Если бы плоская сканируемая площадь была достаточно большой, то проинтегрированное звуковое давление, воздействующее на гра­ дуируемый преобразователь, невозможно было бы отличить от звукового давления в плоской бегущей волне. Следовательно, вопрос надопоставить так: насколько велики должны быть размеры плоской сканирующей площади, чтобы они удовлетво­ ряли данному условию? При решении этого вопроса Тротт ре­ шил обойтись без сканирования и расчетного интегрирования, задумав создать большую многоэлементную решетку, составлен­ ную из малых источников звука. Каждый элемент этой решетки, являющийся точечным источником звука, должен создавать эле­ ментарные волны Гюйгенса. Элементы решетки должны быть достаточно малы и в то же время достаточно удалены друг

а решетку — для его приема.

Вернемся теперь к вопросу о том, как велика должна быть решетка, чтобы имитировать воздействие на градуируемый пре­ образователь источника бесконечных размеров. В случае, если размеры гидрофона невелики, т. е. если его можно считать то­ чечным, ответ на поставленный вопрос можно найти у многих авторов.

Когда нужно объяснить эффект в точке, находящейся на расстоянии Хо перед рассматриваемой плоскостью, то из релеевской интерпретации [12] принципа Гюйгенса получаем, что поле бесконечно протяженной плоской волны можно заменить полем,

где рс — волновое сопротивление среды, и — колебательная ско­ рость источника, г0— радиус поршня и х — расстояние по оси. Первый член, стоящий в правой части выражения (4.10), пред­ ставляет собой давление в бесконечной плоской волне с ампли­ тудой колебательной скорости и. Второй член характеризует сигнал, который как бы излучается краями поршня и сумми­ руется с плоской волной, приводя к интерференции ближнего поля в осевом направлении. Если бы краевую дифракцию, или второй член, можно было свести на нет путем наложения про­ тивофазного кольцевого источника на край поршня, давление в осевом направлении в ближнем поле распределялось бы одно­ родно. Тогда точечный гидрофон, установленный на оси излу­ чателя, подвергался бы воздействию только плоской волны.

Однородное распределение звукового давления на оси в ближнем поле легко получается и для двух других форм излу­ чателей. Фон Хазельберг и Крауткрэмер [14] показали, что плоский круглый излучатель с радиальным распределением амплитуд колебаний или распределением по функции Гаусса е~г2создает постоянное давление на оси в ближнем поле. В диа­

грамме направленности дальнего поля такого излучателя отсут­ ствуют боковые лепестки. Фон Хазельберг и Крауткрэмер ука­ зывают, что требования отсутствия в диаграмме направленности боковых лепестков и отсутствия осцилляции в ближнем поле, по-видимому, одно и то же. Весь имеющийся опыт подтверж­ дает взаимосвязь между осцилляциями в ближнем поле и ха­ рактеристиками направленности в дальнем поле. Это и исполь­

зовал Тротт при разработке своей решетки. В частности, дан­ ное положение позволяет представить линейную группу излуча­ телей с биномиальными коэффициентами спадания интенсив­ ности как излучатель с ближним полем, в котором краевые волны сведены к минимуму.

Из теории радиоантенн [15] известно, что линейная группа из п точечных излучателей, отстоящих друг от друга на рас­ стояние Я/2, с интенсивностью, пропорциональной биномиаль­ ным коэффициентам разложения (а + Ь)п~\ имеет диаграмму на­ правленности без боковых лепестков, лежащую в плоскости этой линейной группы. Отсюда следует, что давление в ближ­ нем поле в направлении оси такой группы излучателей не бу­ дет осциллировать. Конечно, линейная группа излучателей бу­ дет давать двумерное расхождение звуковой энергии даже в ближнем поле. Давление вдоль оси этой группы излучателей не будет постоянным, а будет убывать по цилиндрическому за­ кону, т. е. обратно пропорционально корню квадратному из рас­ стояния по оси. Чтобы получить постоянное поле, систему ли­ нейной группы излучателей с биномиальным распределением амплитуд нужно экстраполировать на случай плоского излу­ чателя. В отличие от непрерывного и бесконечного излучателя Гаусса линейная группа с биномиальными коэффициентами распределения дискретна и конечна. Это создает предпосылки для конструирования реальной решетки, о котором пойдет речь в следующем разделе.

Вся приведенная здесь теория относится к рассмотрению дав­ ления в точке или на оси в ближнем поле. Создание однород­ ного давления в ближнем поле в достаточно большом объеме для градуировки преобразователя гидроакустической станции со­ ставило суть конструкции решетки Тротта.

4.5. КОНСТРУКЦИЯ РЕШЕТКИ ТРОТТА

Конструктивно решетка Тротта [16, 17] представляет собой m линейных групп излучателей, каждая из которых в свою оче­ редь состоит из точечных источников, разнесенных на равное расстояние друг от друга; интенсивность (или объемная колеба­

равны 1, 2, 1. Линейная группа из трех точечных излучателей, отстоящих друг от друга на половину длины волны, с интенсив­ ностью, пропорциональной числам 1,2, 1, будет создавать одно­ родное, не подверженное осцилляциям звуковое давление на оси, и в диаграмме направленности этой группы не будет боковых лепестков. Диаграмма направленности любой такой линейной