книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

162 Гл. III. Основы измерений в свободном поле

Следующими двумя ступенями являются гетеродинный сме­ ситель и полосовой фильтр, которые в совокупности составляют следящий фильтр. Гетеродинный смеситель преобразует пере­ менную частоту в фиксированную частоту fo. Центр полосы пропускания фильтра расположен на этой частоте /о-

В сущности, принцип гетеродинирования состоит в смешива­ нии двух частот с целью получить суммарную и разностную ча­ стоты. Одна из этих частот — суммарная или разностная —

а

б

Рис. 3.28. Две разновидности принципа гетеродинирования для преобразо­ вания сигнала переменной частоты (0-Цтах) в фиксированную частоту (f0).

I — генератор частоты на биениях; II — гетеродинный смеситель.

отфильтровывается, а другая используется. Комбинация генера­ тора переменной частоты в излучающей системе и гетеродинного смесителя в приемной системе в сущности равносильна исполь­ зованию двух генераторов и двух смесителей в каждой из схем, показанных на рис. 3.28. Преимуществом генератора перемен­ ной частоты на биениях '(рис. 3.28, а) является более широкий частотный диапазон, но он дороже и его труднее достать, чем простой генератор, показанный на рис. 3.28, б.

Полосовой фильтр не пропускает сигналы посторонних ча­ стот и улучшает отношение еигнал/шум. Полоса пропускания фильтра может быть регулируемой и иметь, например, значения

20, 200 и 2000 Гц.

Применяются логарифмические самописцы, так что ампли­ туда сигнала записывается в децибелах.

данных можно пользоваться схемами сложения и вычитания напряжений. Если в измерениях участвуют один излучатель и один гидрофон, то можно создать полностью автоматизирован­ ную установку, позволяющую получить результат градуировки мгновенно, т. е. в реальном времени.

Все необходимые токи и напряжения последовательно изме­ ряются на частоте сигнала, и данные быстро обрабатываются цифровыми ЭВМ. Эта процедура повторяется на каждой ча­ стоте. Поскольку ЭВМ обладают большим быстродействием, то скорость изменения частоты при градуировке оказывается не меньше, чем в других методах. При наличии третьего преобразо­ вателя вычисления в реальном времени трудно выполнимы, так как присутствуют два или более акустических сигнала, интер­ ферирующих друг с другом. Приходится прибегать к компро­ миссу и при градуировке гидрофонов методом сравнения с об­ разцовым.

Очень быструю обработку результатов можно осуществить при хранении данных градуировки не на ленте самописца, а в па­ мяти ЭВМ. При этом можно осуществить градуировку за не­ сколько минут. Такая система обработки результатов градуи­ ровки в квазиреальном времени разрабатывается в Отделении гидроакустических измерений Научно-исследовательской лабо­ ратории ВМС.

Полной автоматизации градуировочных систем препятствуют акустические и электрические помехи, а также нестабильность преобразователей и среды. Изменения и аномалии можно обна­ ружить на ленте самописца и скорректировать их. Этого нельзя сделать, если данные хранятся в памяти машины. Конечно, ошибки, обусловленные интерференцией или нестабильностью, можно устранить или обнаружить с помощью дополнительного опыта в методе взаимности.

3.8. ГРАДУИРОВКА В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ

Импульсный режим при градуировке [11] широко применяется со времени второй мировой войны и используется для устране­ ния интерференционных эффектов, обусловленных отражениями, стоячими волнами и электрической наводкой. Излучатель воз­ буждается импульсом или коротким отрезком синусоидального монохроматического сигнала. При этом длительность каждого импульса составляет всего несколько периодов. Приемный тракт регулируется так, что акустический сигнал принимается гидро­ фоном и измеряется только в тот короткий интервал времени, когда на гидрофон воздействует прямой импульс от излучателя. Импульсы, пришедшие до этого (например, наводка или чисто электромагнитные сигналы) и после этого (например, отраже­

ния), не проходят через приемную систему. Эта процедура назы­ вается стробированием.

Р и с. 3.29. Типичное расположение преобразователей при градуировке, когда электромагнитная наводка и различные акустические отражения могут интер­ ферировать с прямым сигналом.

щими, изображенные на рис. 3.30, редко получаются на прак­ тике. Форма импульсов обычно искажается характеристиками

'фильтров в измерительной установке, а также преобразовате­ лями и отражениями от границ водоема.

Длительность импульса должна быть достаточно большой, чтобы достигался установившийся режим. Для того чтобы им­ пульс достиг амплитуды установившегося состояния, т. е. ампли­ туды, с которой система колебалась бы при непрерывном воз­ буждении, требуется конечный интервал времени. Типичный

нала происходит по экспоненте, и система асимптотически при­ ближается к установившемуся состоянию. Однако практически амплитуда достигает 95,5% установившегося значения через Q периодов и 99% через 1,5Q периодов (рис. 3.57). Первое из этих условий выбрано в качестве удобного и достаточно точного кри­ терия установившегося состояния.

Следующее требование к длине импульса состоит в том, чтобы все части поверхности чувствительного элемента гидро­ фона достигали установившегося режима до окончания им­ пульса. В случае большого излучателя это означает, что сиг­ нал от всех его частей должен достигнуть установившегося со­ стояния в месте расположения гидрофона. В типичном случае измерения чувствительности точечного гидрофона в поле порш­ невого излучателя это требование не приводит к увеличению длины импульса, если выполнен критерий минимального расстоя­

ной, частоте. Звон спадает экспоненциально с той же скоростью, с которой нарастал сигнал. Длительность нарастания импульса равна длительности последующего спада, если в промежутке между ними было достигнуто установившееся состояние и если Q системы не изменяется в процессе стробирования.

Импульсы повторяются через регулярные интервалы. Частота повторения импульсов должна быть достаточно низкой, чтобы отражения и реверберация затухли между импульсами. С дру­ гой стороны, частота повторения должна быть достаточно вы­ сокой, для того чтобы измеритель или самописец могли работать без дрожания. Постоянная времени записывающей системы обычно достаточно мала прй частотах повторения импульсов больше 10 Гц. Эти противоречивые требования к частоте по­ вторения импульсов заставляют применять импульсный режим в условиях заглушенных бассейнов. Без использования акусти­ ческого поглотителя на стенках, ускоряющего диссипацию акус­ тической энергии, в небольших бассейнах пришлось бы приме­ нять очень малые частоты повторения импульсов.

Импульсы формируются с помощью модулятора или строби­ рующей схемы в тракте излучения, как показано на рис. 3.26. В приемный тракт соответственно этому включается блок им­ пульсного стробирования приемника, показанный на том же ри­ сунке. Приемный строб-импульс имеет меньшую длительность, чем строб-импульс излучения. Это делается для того, чтобы при­ нимать и измерять только установившуюся часть импульса.

168 Гл. III. Основы измерений в свободном поле

Импульсный режим градуировки не имеет верхней гранич­ ной частоты. В общем чем выше частота, тем легче его реали­ зовать. Однако на низких частотах имеется четкий предел. Ми­ нимальное число периодов в одном импульсе зависит от совер­ шенства используемого способа и измерительной установки. Допустим, что один период есть типичный минимум длитель­ ности импульса. Длительность импульса на частоте 1 кГц бу­ дет равна 1 мс, а его длина в воде будет равна 1,5 м. Если при этом разность между прямым путем излучатель—гидрофон и путем прихода первого отражения менее 1,5 м, то прямой и от­ раженный импульсы будут накладываться друг на друга и ин­ терферировать в точке расположения гидрофона. Отсюда видно, что при данной геометрии взаимного расположения преобразова­ телей и граничных поверхностей в волновых ходах существует низкочастотный предел для реализации импульсного режима

связано с тем, что импульсный сигнал содержит не одну основ­ ную, или несущую, частоту, а спектр частот, а также с тем, что преобразователи и некоторые электронные устройства измери­ тельных установок имеют недостаточно плоскую частотную ха­ рактеристику и не вполне обеспечивают высокое качество воспро­ изведения сигнала. Детальный анализ спектров импульсов име­ ется в работах [12—14], и здесь мы рассмотрим только его основы. Спектр импульса зависит от 1) основной, или несущей, частоты, 2) формы импульса, 3) длительности импульса, 4) частоты повто­ рения импульсов и 5) переднего и заднего фронтов импульса.

Стробирующая схема в тракте излучения, показанная на рис. 3.26, модулирует амплитуду несущей каким-либо сигналом. Если для модуляции служит прямоугольный сигнал, то в ре­ зультате получается импульс, показанный графически на рис. 3.32. Математически в результате модуляции синусоидаль­ ным сигналом появляются составляющие трех разных частот. Если fо — несущая частота, a f i — частота модуляции, то промодулированный сигнал состоит из 1 ) несущей частоты /0, 2 ) верх­

Иногда используют импульсы других форм: пилообразные, треугольные, куполообразные, меняющиеся по закону квадрата косинуса и т. д. В подводных электроакустических измерениях обычно используют сигнал модуляции, состоящий из периоди­

ческой последовательности прямоугольных импульсов, показан­ ных на рис. 3.32, б. Согласно теореме Фурье, любая периодиче­ ская функция эквивалентна -сумме простых гармонических функций, частоты которых кратны частоте повторения данной функции. Таким образом, если Т — период заданной функции, a t — время, то

в спектре возникает множество близко расположенных спект­ ральных линий. Участок спектра между /0 —1/т и fo+1/т

называется эффективной полосой спектра. Прямоугольный им­ пульс, прошедший через полосовой фильтр, будет искажен лишь в незначительной степени, если полоса пропускания фильтра ра­ вна 2/т. Эффективная полоса спектра для импульсов длитель­ ностью 0,1; 1 и 10 мс равна соответственно 20 000, 2000 и 200 Гц. Ясно, что узкополосные фильтры и короткие импульсы несов­ местимы.

Спектр, показанный на рис. 3.33, симметричен относительно несущей частоты /0. Это верно лишь приблизительно. Низкоча­ стотная боковая полоса простирается ниже нулевой частоты,

Рис. 3.33. Спектр импульсного сигнала. Несущая частота f0. Форма модули­ рующего импульса прямоугольная. Длительность импудьса т с. Период повто­ рения импульсов Т, частота повторения 1/7 имп/с. По оси ординат отложена относительная амплитуда спектральных составляющих.

т. е. fo — fn при росте п и fn в конце концов становится отри­ цательным. Влияние отрицательных частот можно представить себе следующим образом. Вообразим, что отрицательная часть спектра повернута относительно оси ординат, наложена на по­ ложительную часть и соответствующие амплитуды сложены. При этом возникает асимметрия кривой. Эта асимметрия под­ черкивается, когда импульс содержит целое число периодов. Если при этом импульс начинается и кончается в моменты про­ хождения несущей через нуль, то амплитуды спектральных со­ ставляющих в низкочастотной боковой полосе выше, чем в вы­ сокочастотной. Если импульс начинается и кончается в мо­ менты прохождения несущей через пиковое значение, то будет наблюдаться обратная картина.

Импульсы когерентны, если все они начинаются при одном и том же значении фазового угла, например в момент мгновен­ ного нуля с последующим увеличением амплитуды. Такие им­ пульсы порождают наименьшие переходные процессы и обла­ дают наибольшей стабильностью фазы. Можно использовать

только часть периода в каждом из последовательности коге­ рентных импульсов, начинающихся в момент прохождения нуля.

Электроакустические преобразователи и акустические мате­ риалы, например поглотители, часто обладают резонансом, и почти всегда их 'характеристики зависят от частоты. Следова­ тельно, если они являются частью электроакустической системы, они будут влиять на спектр импульса. При резонансе доброт­ ность Q преобразователя приводит к возникновению переход­ ных процессов такого типа, как показано на рис. 3.31. На ча-

Р и с. 3.34. Искажение спектра внутри эффективной полосы спектра, обус­ ловленное увеличением чувствительности излучателя с повышением частоты. Сплошная кривая соответствует входному сигналу преобразователя, пунктир­ ная — выходному.

личивается со скоростью 6 дБ на октаву или более (см. рис. 5.2). Этот наклон частотной характеристики будет искажать импульс. Поэтому импульс звукового давления на выходе излучателя будет отличаться от импульса входного тока излучателя, как показано на рис. 3.34. Амплитуды спектральных составляющих в верхней боковой полосе будут увеличены, а в нижней боко­

к ошибке при измерении пикового значения импульса. Пиковая амплитуда импульса, характеризующая чувствительность в ре­ жиме излучения, расположена в верхней боковой полосе частот, а не на основной частоте.

Аналогичные ошибки возникают при измерении звукоизоля­ ции и снижения отражения некоторых акустических материалов вблизи частоты их резонанса. На рис. 3.35 вверху показана ха­ рактеристика коэффициента отражения для резонансного погло­ щающего покрытия, которая подобна характеристике режекторного фильтра. При этом отраженный импульс искажается, как