книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

На рис. 5.43 показана другая конструкция, предложенная Лесли и др. из Лаборатории военно-морского оружия (NOL) [28]. Сферическая оболочка этого гидрофона вместе с установ­ ленным внутри нее магнитом совершает колебания, тогда как

Рис. 5.43. Устройство гидрофона колебательной скорости NOL.

катушка удерживается неподвижно за счет инерции внутренней массы, которая приблизительно в 3 раза превышает массу вытесненной воды. При изготовлении гидрофона масса оболочки и магнита рассчитывается так, чтобы она равнялась массе вытесненной воды. В таком случае средняя плотность гидрофона равна плотности воды, а колебательная скорость сферы равна ■колебательной скорости частиц плоской звуковой волны в плос­ кости, проходящей через центр сферы. Следовательно, чувстви­

тельность можно получить непосредственно из уравнений (5.15)

и (5.17):

Резонансная частота системы, состоящей из внутренней массы и ее подвески, лежит ниже рабочего диапазона частот, так что эта система управляется массой. Следовательно, предпо­ ложение о неподвижности катушки, обусловленной инерцией,, справедливо.

5.12.2. Гидрофоны градиента давления

На рис. 5.44 изображен гидрофон, разработанный Бойером (опытовый бассейн Дэвида Тэйлора — DTMB) [29]. Конструк­ ция гидрофона DTMB подобна конструкции гидрофона колеба­ тельной скорости NOL (рис. 5.43). Средняя плотность обоих

Р и с. 5.44. Устройство гидрофона градиента давления DTMB.

гидрофонов равна плотности воды, поэтому их колебательная скорость равна колебательной скорости частиц жидкой среды или, более строго, средней колебательной скорости ча­ стиц в пределах длины гидрофона, т. е. 75 мм. У обоих гидро­ фонов на чувствительных элементах установлена внутрен­ няя масса, а по конструкции они являются типичными акселеро­ метрами. Однако гидрофон DTMB воспринимает колебания

с помощью пьезокерамического диска, помещенного между внешней оболочкой и внутренней массой. В результате этого чувствительность гидрофона DTMB по напряжению в свободном поле скорее пропорциональна градиенту давления, чем колеба­ тельной скорости.

Внутренняя масса m подвижна.. Она создает силу инерции F, воздействующую на пьезокерамический диск, который ведет себя подобно пружине. Сила F определяется формулой

с незначительной массой, резонансная частота которой выше рабочего диапазона частот. Тогда колебательные скорости внутренней массы, внешней оболочки и частиц среды в плоской

Таким образом, напряжение на выходе диска пропорционально градиенту давления. Используя соотношения (5.15), (5.16) и (5.25), получаем

пропорциональна частоте со. Чувствительность гидрофона DTMB показана на рис. 5.45.

Гидрофон градиента давления, разработанный Симсом из Лаборатории гидроакустических измерений ВМС (USRL), по­ казан на рис. 5.46. Тонкий диск из титаната-цирконата свинца приклеен к диафрагме, изготовленной из бериллиевой меди и установленной в вольфрамовой втулке. Разность давлений на двух сторонах диафрагмы приводит к тому, что диафрагма и диск начинают изгибаться. Диафрагма и пьезокерамический диск имеют одинаковую толщину и образуют друг с другом двухслой­ ный элемент. Отсюда следует, что диаметр пьезокерамического диска увеличивается в течение одного полупериода колебаний и укорачивается в течение второго. Вольфрамовая втулка служит

316 Гл. V. Измерительные преобразователи

Гидрофон USRL по сравнению с гидрофоном NOL имеет меньшую чувствительность, однако его преимуществом являются меньшие размеры и отсутствие хрупких пружинных подвесок. У гидрофонов BTL и NOL пружинные подвески используются и для катушки, и для магнита. В гидрофоне CBS осуществлена подвеска катушки, а в гидрофоне DTMB— подвеска корпуса.

Рис . 5.47. Типичная диаграмма направленности в горизонтальной плоскости на частоте 4,0 кГц для гидрофона градиента давления USRL.

Чтобы гидрофон совершал только поступательные колебания, подвески должны быть изготовлены очень тщательно. Колеба­ ния в двух других взаимно ортогональных направлениях и любое вращательное движение приводят к возникновению ошибок. Гибкость подвески магнита или корпуса в гидрофонах BTL, DTMB, NOL исключает наклон этих гидрофонов, а также не позволяет использовать их для других целей, не связанных с измерением горизонтальных скоростей и градиентов давления. Гидрофоны CBS и USRL могут быть ориентированы в любом на­ правлении. Гидрофон BTL можно было бы сконструировать без гибкой подвески магнита, назначение которой — изолировать магнит от механических колебаний креплений.

Теоретическая модель дипольного преобразователя, показан­ ная на рис. 5.39, в виде двух близко расположенных идентичных точечных преобразователей, колеблющихся в противофазе, может физически соответствовать двум зондовым гидрофонам’, электрически включенным в противофазе. Эта конструкция, ко­ торая схематически показана на рис. 5.48, конечно, относится к гидрофону градиента давления. Электрический сигнал на выходе пропорционален разности фаз между звуковым давле­ нием на двух зондах. Данная конструкция требует идентичности электроакустических характери­ стик зондовых гидрофонов, что на практике трудно осуществить в широком диапазоне частот.

Поскольку одноэлементный гидро­ фон изготовить легче, то кон­ струкция из двух зондовых гидро­ фонов не нашла большого приме­ нения при работе в широкой полосе частот.

5.12.3. Дипольные излучатели

Дипольные излучатели в своей основе являются плохо возбуж­ даемыми преобразователями, по­ скольку их специфическая кон­ струкция приводит к уменьше­ нию давления. Иными словами,

если в какой-то момент времени при работе излучателей у од­ ного конца возникает положительное давление, то у другого конца в этот же самый момент — отрицательное давление. Гем не менее, когда необходимо иметь косинусную диаграмму направленности, они находят применение.

Гидрофон NOL, изображенный на рис. 5.43, имеет относи­ тельно большую поверхность чувствительного элемента, и по­ этому он может использоваться в качестве излучателя. Он имеет также низкий электрический импеданс, что необходимо для излучателя. Гидрофон DTMB тоже имеет большую диафрагму, но его электрический импеданс довольно высок при его использовании в качестве излучателя.

В качестве излучателя можно также использовать двухзондовый преобразователь градиента давления. Два преобразователя USRL типа J9 (разд. 5.10), поставленные рядом и электрически соединенные в противофазе,, применяются в качестве квазидипольного излучателя, когда необходимо разделить сигналы, отраженные от поверхности и дна в мелком озере [30]. Однако

два соединенных вместе преобразователя J9 имеют уже слишком большие размеры, чтобы их, за исключением низких частот,. можно было считать единым дипольным излучателем; они явля­ ются хорошим приближением к дипольному излучателю до ча­ стот порядка нескольких килогерц.

Литература

1.Fay Н. J. W„ Submarine Signal Log, Raytheon Co., Submarine Signal Division, Portsmouth, R. I., 1963, Chap. V.

2.Woollett R. S., Transducer Comparison Methods Based on the Electrome­ chanical Coupling-Coefficient Concept, 1957, Institute of Radio Engineers National Convention Record, Part 9, p. 23.

3.Bobber R. ]., Diffraction Constants of Transducers, J. Acoust. Soc. Am.,. 37,591 (1965).

4.Henriquez T. A., Diffraction Constants of Acoustic Transducers, J. Acoust. Soc. Am., 36, 267 (1964).

5.Cady W. G., Piezoelectricity, McGraw-Hill Book Co., New York, 1946; пере­

смотренное издание Dover Publ., New York, 1964. (Русский перевод:

8.Nye J. F., Physical Properties of Crystals, Clarendon Press, Oxford Univ. Press, London and New York, 1957. (Русский перевод: Дж. Had, Физи­ ческие свойства кристаллов, изд-во «Мир», М., 1967.)

9.Langevin R. A., The Electro-Acoustic Sensitivity of Cylindrical Ceramic Tubes, J. Acoust. Soc. Am., 26, 421 (1954).

10.Summary Technical Report of Division 6, NDRC, Vol. 13, The Design and

13.Butterworth S., Smith F. D., The Equivalent Circuit of the Magnetostric­ tion Oscillator, Proc. Phys. Soc. (London), 43, Part 2, 166 (1931).

14.Camp L., The Magnetostriction Radial Vibrator, J. Acoust. Soc. Am., 20, 289 (1948).

15.Rice C. W., Kellogg E. W., Notes on the Development of a New Type of

Hornless Loud Speaker, Trans. AIEE, 44, 461 (1925).

16. Sims С. C., High-Fidelity Underwater Sound Transducers, Proc. IRE, 47, 866 (1959).

17. Groves I. D., The USRL Infrasonic Hydrophone Type Hll. Navy Underwater Sound Reference Lab. Res. Rep. № 37, 3 Jan. 1956 [AD-88 170).

18. Groves I. D., The USRL Broadband Hydrophone Type H17, Navy Under­ water Sound Reference Lab. Res. Rep. № 59, 15 Feb. 1962 [AD-271 910].

19.Sims С. C., Standard Calibration Hydrophone, J. Acoust. Soc. Am., 31, 1676 (1959).

20.Sims С. С., Ап Improved Noise-Measuring Hydrophone, Navy Underwater Sound Reference Lab. Res. Rep. № 52, 18 Oct. 1960 [AD-244 882].

21.Sims С. C., A Deep-Submergence Long-Life Hydrophone for Use in the Ocean at 2200 psi Pressure, Navy Underwater Sound Reference Lab. Res. Rep. № 72, 3 Jun. 1964 [AD-440 762].

22.Kinsler L. E., Frey A. R., Fundamentals of Acoustics, 2nd ed., John Wiley and Sons, New York, 1962, Chap. 8.

23.Summary Technical Report of Division 6, NDRC, Vol. 11, A Manual of

N.J„ 1957, p. 279.

26.Там же, p. 32.

27.Bauer В. B., Measurement of Particle Velocity in Underwater Sound, Lateral Line Detectors, ed. P. Cahn, Indiana Univ. Press, Bloomington, Ind.,' 1967, Chap. 27.

28.Leslie С. B., Kendall J. M., Jones J. L., Hydrophones for Measuring Par­

ticle Velocity, J. Acoust. Soc. Am., 28, 711 (1956). [Русский перевод: К. Лесли, Дж. Кендалл, Дж. Джонс, Гидрофон для измерения колеба­ тельной скорости, Проблемы современной физики, № 11, 166—174 (1957).]

VI

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВСПОМОЕАТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

6.1. ВВЕДЕНИЕ

Акустические окна и обтекатели, экраны, отражатели, погло­ щающие покрытия и объемные поглотители звука нужны для обеспечения работоспособности подводных электроакустических преобразователей при их применениях и испытаниях. Методы и средства оценки таких вспомогательных материалов во многом сходны с методами, применяемыми при градуировках гидроакус­ тических преобразователей. Поэтому мы включили в книгу главу об измерениях и оценках свойств таких материалов, хотя эти измерения носят скорее акустический, чем электроакустический характер.

'Под словом «материал» здесь подразумеваются акустическое окно, отражатель, экран, поглощающее покрытие, материалы для объемных акустических поглотителей или любая их комби­ нация. Однако в большинстве измерений мы оцениваем не сам материал, а конструкцию или определенный образец, размеры, форма и способ крепления которого влияют на результат. Иногда этот образец представляет собой отдельное изделие, на­ пример обтекатель гидроакустической станции или окно пре­ образователя. В другом случае он является частью оборудова­ ния, например секцией конструкции поглощающего покрытия. Как мы увидим, из пяти перечисленных случаев только для объ­ емных поглотителей результат не зависит от размеров и формы конкретного образца, но даже и тогда понятие «объемное по­ глощение» должно быть строго определено (разд. 6.5).

Окна, отражатели, экраны и поглощающие покрытия состав­ ляют полный набор материалов в смысле выполняемых ими функций. Идеальные образцы этих четырех материалов должны соответственно: 1) пропускать 100%, 2) отражать 100%, 3) пере­ давать 0%, 4) отражать 0% падающего на них звука. Каждый из этих материалов можно оценивать, измеряя процентное от­ ношение звука, прошедшего через материал и отраженного от него, когда конструкция погружена в воду. Эти две измеряемые характеристики назовем «звукоизоляцией» (insertion loss) и «снижением отражения» (echo reduction) и определим следую­ щими соотношениями: