книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

Во втором типе измерений материал выбирается по форме и размеру таким, каким он будет использоваться в конкретной конструкции. В обтекателе, например, материал должен обес­ печивать обтекаемость формы с учетом структурной армировки, отверстий, фланцев и других деталей конструкции. При этом условия измерения звукоизоляции совпадают с условиями реаль­ ного использования изделия. Например, измерения обтекателя должны быть проведены при наличии внутри него реального гидролокаторного преобразователя. В этом случае звукоизоля­ ция зависит от формы, размера и установки обтекателя, от типа преобразователя и дополнительного оборудования, включающего и устройство для крепления обтекателя к судну. В идеальном случае испытание должно проводиться на корпусе судна, но обычно это практически неудобно.

Результаты, полученные в измерениях первого типа на листо­ вых образцах, поддаются теоретическому анализу и прогнозиру­ ются. Результаты измерений на конкретных конструкциях изде­ лий обычно непредсказуемы.

6.2.1. Теоретическая звукоизоляция

Если плоская волна падает на пластинку постоянной тол­ щины из однородного непоглощающего материала, по обе стороны которой находится вода, то теоретическую звукоизоля­ цию оценивают формулой

казаны кривые звукоизоляции для стали и пробки, построенные

меняется, если т заменить на 1/т. Физически это означает, что высокоимпедансный материал типа олова (т = 1 2 ) должен давать такую же звукоизоляцию, как и низкоимпедансный мате­ риал, например пробка (т = ]/1 2), когда т для одного материала

и т. д. Таким образом, любой непоглощающий материал акусти­ чески прозрачен, когда его толщина близка к значению, крат­ ному половине длины волны/ Звукоизоляция равна нулю также

324 Гл. VI. Измерение характеристик вспомогательных материалов

размерами, внутренними фиксаторами и ребрами жесткости может иметь другую звукоизоляцию.

Другой метод анализа воздушных экранов основан на пред­ положении, что смесь пробки и резины, называемая корпрен, акустически эквивалентна воздуху. При значениях m = '/i2 для пробки и m = Vзбоо для воздуха можно видеть, что это не очень хорошее предположение. На самом деле пробка имеет лучшее согласование импедансов с водой, чем сталь ( т = 26). А малая скорость звука в пробке является ее дополнительным преиму­ ществом. Длина волны в пробке равна 0,1 длины волны в стали, поэтому пробковый экран может быть намного тоньше, чем эквивалентный стальной экран.

6.2.2. Измерение звукоизоляции

Измерение звукоизоляции — это прямая процедура. На гидро­ фоне измеряется сигнал, возбуждаемый излучателем, и отме­ чается разница выходных напряжений до и после помещения материала между этими двумя преобразователями. Хотя пред­ почтительнее использовать импульсный звук, как описано в разд. 3, но можно применять и непрерывный сигнал, который имеет некоторые преимущества на очень низких частотах. Источ­ никами ошибок является интерференция, создаваемая отраже­ ниями от поверхности, дна водоема и от креплений, а также дифракция звука на краях образца. Ошибку, вносимую такой интерференцией, можно свести к минимуму, .если расстояние между излучателем и гидрофоном выбирать малым. Отражения от креплений минимизируются применением в них наиболее прозрачного материала и рациональной конструкции установки. Измерительная установка и интерферирующие сигналы показаны на рис. 6.2.

При формулировке определения звукоизоляции предполага­ лось, что распространяются плоские волны; на практике, конеч­ но, используются сферические. Как и в случае градуировки гидрофонов, измерения верны, если гидрофон настолько мал, что пересекает практически плоский участок сферической волны.

Дифракционная интерференция уменьшается, если использо­ вать большие размеры образца и асимметричное расположение излучателя и гидрофона относительно прямоугольного или квад­ ратного образца. Излучатель и гидрофон располагаются так, что воображаемая линия, соединяющая их центры, не проходит через центр образца. Эти два условия нарушают когерентность дифракционной интерференции. За немногими исключениями, бесконечное число лучевых траекторий вокруг образца будут иметь разную длину. Поэтому сигналы, пришедшие на гидрофон по разным траекториям, не будут находиться в фазе друг с дру­

гом. С учетом фаз суммарный сигнал будет меньше, чем при симметричном расположении преобразователей.

Круглый образец с гидрофоном, помещенным на оси образца, будет наихудшим расположением, так как приводит к наиболь­ шим дифракционным эффектам. Даже если образец абсолютно непрозрачный, интенсивность в месте расположения гидрофона будет такой же, какая была бы в отсутствие образца! Это со­ ответствует светлому пятну за непрозрачным круговым препят­ ствием, что хорошо известно из оптики.

Воздух

Вода

Рис. 6.2. Схема измерения звукоизоляции и снижения отражения. Показаны краевые дифрагированные волны. / — положение гидрофона при измерении снижения отражения, // — при измерении звукоизоляции.

Интенсивность дифракции на краях пропорциональна рассо­ гласованию импедансов между материалом образца и водой. Поэтому интенсивность дифрагированного сигнала, измеренная на материалах окон, меньше, чем на экранах. Более того, по­ скольку уровень сигнала, проходящего через окно, выше, чем через экран, то отношение уровня дифрагированного сигнала к уровню проходящего намного больше при измерениях экранов, чем окон. Звукоизоляция для окон измерялась на малых квад­ ратных образцах со стороной в две длины волны. Зависимость звукоизоляции от угла падения измерялась с помощью

326 Гл. VI. Измерение характеристик вспомогательных материалов

вращения образца, находящегося между гидрофоном и излучате­ лем. Поскольку при повороте уменьшается эффективная площадь, т. е. площадь, нормальная к воображаемой линии излучатель— гидрофон, то влияние дифракции возрастает. Измерения при скользящих углах падения, т. е. углах, близких к 90°, затруд­ нены, если образец не обладает достаточно большими разме­ рами. При углах падения, отличных от нормального, в образце возбуждаются также сдвиговые и поперечные волны. Следова­ тельно, измерения на образцах нельзя признать очень надеж­ ными, так как при этом возникают сложные волновые явления; в связи с этим особую важность приобретают измерения на законченных конструкциях изделия.

6.3. СНИЖЕНИЕ ОТРАЖЕНИЯ

Снижение отражения является важным параметром отража­ телей и поглощающих покрытий. Оно характеризует уменьшение уровня падающего звукового давления после отражения.

Снижение отражения зависит от рассогласования акустиче­ ских импедансов на отражающей границе. В свою очередь акустический импеданс зависит от самого материала, его тол­ щины и, как правило, от того, к чему и как материал прикреплен.

Как и при измерении звукоизоляции, имеются два типа измерений снижения отражения: на образцах и на конкретных конструкциях изделия.

Поглощающие покрытия в отличие от окон, экранов и отра­ жателей не всегда делаются из однородного материала. Для окон, экранов или отражателей требуется только хорошее со­ гласование или рассогласование импедансов с водой. Поглоща­ ющие покрытия выполняют более сложную функцию: благодаря им хорошие отражатели должны одновременно казаться акусти­ чески прозрачными. Для этого, во-первых, покрытие должно иметь хорошее согласование с водой, чтобы звуковая энергия не отражалась. Во-вторых, войдя в покрытие, звуковая энергия должна быть поглощена, иначе она отразится от какой-либо следующей границы, например от стенки или корпуса корабля, к которым прикрепляется покрытие. Таким образом, и звуко­ изоляция, и снижение отражения должны быть велики.

Трудно создать тонкое однородное поглощающее покрытие с характеристиками поглощения, не зависящими от частоты? Поглощающее покрытие обычно состоит из слоя резины или резиноподобного материала с низкоимпедансными воздушными полостями или с высокоимпедансными металлическими включе­ ниями. Основной целью является создание поперечных смеще­ ний в резине, а не просто сжатия и расширения ее. Материал,

находящийся за покрытием, является его неотъемлемой частью; толщина стальной пластинки, к которой обычно прикрепляется покрытие, и среда (вода или воздух), находящаяся за сталью, влияют на характеристики поглощения. Ввиду того что покрытие - неоднородно, оно может резонировать и обычно резонирует. Это проявляется в увеличении амплитуд колебаний и в большом

снижении отражения в узкой полосе частот.

воздушный сандвич), или с очень высоким акустическим импе­ дансом (сталь, никель, вольфрам). В некоторых случаях для получения высокоимпедансных границ применялись разные типы настраиваемых или резонансных инерционно-упругих систем или четвертьволновых отрезков передающих линий. Такие устройства применимы только в узкой полосе частот.

Если угол падения звука меняется, то снижение отражения нуждается в дальнейшем уточнении — в учете угла отражения. Иногда основной интерес представляют зеркальные отражения (материал для трехплоскостного имитатора мишени или акусти­ ческого зеркала); в других случаях большая часть звука может отразиться, но необязательно зеркально (неплоская поверх­ ность). Эта двусмысленность проявляется во всех измерениях отражений; поэтому необходимо знать предполагаемое назначе­ ние материала и измерять соответствующий вид отражений. В этой связи используются термины «моностатическое» и «бистатическое». Моностатическим является измерение в одной и той же точке, т. е. ,излучатель и приемник находятся в этой точке или угол падения совпадает с углом отражения. Бистатическое — это измерение в двух точках, т. е. излучатель ориенти­ рован под одним углом, а приемник — под другим. Зеркальное отражение является частным случаем бистатического отраже­ ния, когда угол отражения равен углу падения.

6.3.1. Теоретическое снижение отражения

Как и в случае звукоизоляции, теоретически снижение отра­ жения легче всего вычислить при нормальном падении звука на однородную пластинку из непоглощающего материала, погру­

где m я kx имеют тот же смысл, что и в уравнении (6.1).

328 Гл. VI. Измерение характеристик вспомогательных материалов

Как и в уравнении (6.1), m можно заменить на 1/т без из­ менения вида уравнения. С ростом частоты величина снижения отражения постепенно падает, пока толщина пластины не будет равна lU длины волны, а затем увеличивается, до тех пор пока толщина не достигнет 7г длины волны. Когда kx в уравнении (6.2) приобретает значения я/2, Зя/2, 5я/2 и т. д., т. е. когда толщина кратна нечетному числу четвертей длины волны, сниже­ ние отражения минимально. И для больших, и для малых значе­

я, 2я и т. д., синус в уравнении (6.2) становится равным нулю и снижение отражения становится бесконечным при любом конеч­ ном значении т. Это значит, что любой непоглощающий мате­ риал идеально прозрачен, когда его толщина кратна половине длины волны. Разумеется, снижение отражения бесконечно и при т = 1 . Такие же выводы следуют из уравнения (6.1).

На рис. 6.1 показано снижение отражения двух типичных отражающих материалов. Слой пробки толщиной 3 мм ста­ новится полностью прозрачным при 78 кГц. Соответствующая частота для стали толщиной 15 мм равна 186 кГц. Мы снова видим, что пробка не всегда эквивалентна воздуху, как иногда полагают. Слой воздуха является хорошим отражателем: слой его толщиной 3 мм дает при 1 кГц снижение отражения только на 0,0004 дБ.

6.3.2. Измерение снижения отражения

Снижение отражения обычно измеряют с помощью установки, показанной на рис. 6.2. Падающий и отраженный звуки (звуко­ вые давления) измеряются зондовым гидрофоном, который поме­ щается вблизи образца материала. Для разделения этих двух измеряемых сигналов применяют два способа. Используя импульсный режим, можно разделить падающий и отраженный звуковые импульсы на промежуток времени, который требуется импульсу, чтобы пройти путь от гидрофона к образцу и обратно. При использовании интерферометрического метода оба сигнала перекрываются и их уровни вычисляются по интерференционным максимумам и минимумам, которые обусловлены конструктив­ ной и деструктивной интерференцией. Как и при измерении звукоизоляции, основные трудности связаны с отражениями и дифракцией. Дифракционные эффекты в этом случае не ограни­ чиваются обычной дифракцией на краях препятствия. Если плос­ кая волна падает нормально на отражающую пластинку, то отра­ женная волна неотличима от той, которую излучала бы сама пластинка, если бы она служила излучателем. Зонд, расположен­ ный вблизи пластинки, находится в ближнем поле, или в зоне

Френеля пластинки. Отраженный звук можно рассматривать как комбинацию двух волн: 1) плоской волны с той же амплитудой и фазой, которые были бы при отражении от бесконечно протяжен­ ной пластинки, и 2) дифрагированной волны, которая кажется исходящей от края пластинки и аналогична дифрагированной волне, «обходящей» пластинку в случае измерения звукоизо­ ляции.

Когда используют короткие импульсы и падающая и отра­ женная волны разделяются во времени, необходимо также раз­ делить отраженные и дифрагированные импульсы. Эти два требования о разделении сигналов предъявляют противоречивые требования к выбору расстояния от зонда до образца. Уве­ личение этого расстояния улучшает разделение падающего и отраженного импульсов, но ухудшает разделение отраженного и дифрагированного. Уменьшение этого расстояния приводит к обратному эффекту. На практике используют наименьшие рас­ стояния и минимальные длины импульсов. Однако длину импульса невозможно сделать короче, чем примерно два периода, что и обусловливает низкочастотный предел измерений. Для резонансных отражателей необходимо использовать более длинные импульсы. Импульсные измерения отражений в воде в общем целесообразно использовать тогда, когда длина и ширина образца в пять или более раз превосходят длину волны.

Дифракционные эффекты можно свести к минимуму асиммет­

осложняется тем, что такое покрытие действует как режекторный фильтр. Основная частота (несущая) на резонансной частоте покрытия ослабляется намного сильнее, чем боковые частоты в спектре импульса; поэтому большое снижение отражения на резонансе маскируется малой его величиной на боковых часто­ тах. Чтобы получить истинное снижение отражения вблизи резо­ нансной частоты, на выходе зондового гидрофона необходимо иметь очень узкополосный фильтр.

На низких частотах (большие длины волн), где короткие импульсы получить нельзя, используется интерференционный метод. Зондовый гидрофон помещается вблизи образца, где он одновременно принимает прямой сигнал от удаленного излуча­ теля и сигнал, отраженный от образца. Можно использовать непрерывный сигнал или длинные импульсы. Длинный импульс — это такой импульс, который, с одной стороны, допускает пере­ крытие прямого и отраженного сигналов, а с другой — еще до­ статочно короток, чтобы «отрезать» дифракцию, поверхностные отражения и т. п. Зонд измеряет с учетом фаз сумму падающего и отраженного звуковых давлений. При непрерывном изменении

330 Гл. VI. Измерение характеристик вспомогательных материалов

частоты в некотором диапазоне разность фаз между падающим и отраженным сигналами будет непрерывно изменяться. Вели­ чина суммарных сигналов будет колебаться между состояниями сложения в фазе и в противофазе, напоминающими по характеру изменения картину, создаваемую при градуировках поверхност­ ными отражениями, стоячими волнами или наводкой. На самом деле мы намеренно создаем стоячие волны. Зонд должен отстоять по меньшей мере на 'Д длины волны от отражающей

из трех измеренных величин на рис. 6.3, т. е. по Макс., Мин. или Макс. +Мин. Поскольку измерения глубины острых нулей больше подвержены ошибкам, чем высота закругленных максимумов, то измерения максимумов, показанные на рисунке, более надеж­ ны. В табл. 6.1 приводятся некоторые величины, представленные графически на рис. 6.4, — она более удобна для малых или для получения более точных значений. Интерференционный метод в принципе подобен методу измерения импеданса на границе, замыкающей трубу, который применяется в воздушной акустике.

На практике звуковые волны, которые падают на образецотражатель, не являются плоскими. Как правило, это не влияет на измерения, если не возбуждается поперечного волнового дви­

сматривать пластинку как колеблющийся излучатель, то ампли­ туды колебания на краях будут немного меньше, чем в центре, и будут сдвинуты по фазе. «Затенение» снижает осцилляции дав­ ления в ближнем поле, обусловленные краевой дифракцией. Однако наличие потерь на расхождение означает, что в измерен­ ное отношение уровня отраженного сигнала к уровню прямого сигнала нужно вводить поправку на потери с расстоянием. Когда звук падает на материал под углом, отличным от нормального, в материале могут возбудиться поперечные волны. Последние могут взаимодействовать с продольными волнами, о которых предполагается, что они несут всю звуковую энергию. Следова­ тельно, условия измерений должны соответствовать условиям идеальной плоской продольной волны, даже если возможно воз­ никновение поперечного волнового движения.