книги / Справочник по судовой акустике

пенсируется путем изменения амплитуды и фазы напряжения возбуждения одного из цилиндров (нуль-орган 2). Момент компенсации определяется по минимуму

давления р0, создаваемого переменным столбом жидкости на низких частотах диапазона [3].

Диапазон частот, для которого применим данный метод, — от 1 до 3000 Гц. В этом диапазоне значение М0 не зависит от частоты.

Процедура градуировки может быть существенно упрощена благодаря тому, что ро прямо пропорционально напряжению возбуждения нуль-органа. Поэтому градуировку в рабочем диапазоне частот можно выполнять, поддерживая постоян­ ное напряжение ик на нуль-органе и измеряя напряжение на выходе гидрофона их. Чувствительность определяется также по формуле (2.1.14), причем постоянная Af„, как и ранее, должна быть определена путем компенсации давления, создаваемого переменным столбом жидкости. Точность метода =±=0,3 дБ.

Пьезокомпенсационную камеру, состоящую из двух пьезоцилиндров, можно использовать и для градуировки гидрофонов на основе принципа взаимности (методом трех преобразователей в камере малого объема). Нуль-орган при этом служит дополнительным источником, а нуль-индикатор — обратимым преобра­ зователем. Измеряются напряжения: щ, иг — испытуемого приемника, и2— обратимого преобразователя и щ — пропорциональное току возбуждения нульиндикатора. Значение чувствительности определяется формулой

(2.1.15)

Здесь H = Û)C0, где С0— суммарная гибкость измерительного объема, ха­ рактерная для данной установки. Ее значение определяется градуировкой уста­ новки с помощью столба жидкости или методом водиогвбздушного резонатора [15].

Градуировка с помощью переменного столба жидкости над гидрофоном. Этот метод применяется на частоте не выше 2— 3 Гц. Гидростатическое давление можно изменять путем вертикального перемещения гидрофона в сосуде с водой или изменением уровня воды при неподвижном гидрофоне. На рис. 2.6 щтркховой линией дана схема осуществления второго способа. Полость измерительной камеры сообщается с открытым сосудом, который с помощью эксцентрикового привода совершает вертикальные перемещения. Чувствительность градуируемого гидрофона определяется по формуле

(2.1.16)

где р — плотность воды; g — ускорение силы тяжести; h — амплитуда вертикаль­ ного перемещения уровня воды.

Диапазон частот— от долей герц до 1 Гц. Погрешность — порядка 1 дБ. Относительная градуировка приемников звукового давления. Метод основан на сравнении показаний образцового и испытуемого приемников при воздействии

на них одного и того же звукового поля. Различают метод сличения, когда излу­ чение источника действует одновременно на образцовый и испытуемый прием­

что" сохраняется режим возбуждения источника и используется один и тот же электронный измерительный тракт. Применение поворотного устройства, поме­ щающего приемники в одну и ту же точру поля (рис. 2.7), ускоряет процедуру сравнения. При относительной градуировке излучателей звука создаются равные условия электрического возбуждения и сравниваются создаваемые излучателем давления с помощью дополнительного измерительного тракта.

Градуировка приемников вибрации. Основным методом следует считать гра­ дуировку на вибростендах» в которых на массивной (по сравнению с градуиру­ емым приемником) виброплите создаются колебания заданной частоты. Параметр вибрации (смещение, колебательную скорость, колебательное ускорение) опре­ деляют обычно бесконтактным способом — оптическим или емкостным, с помощью вихревых токов, эффекта Мессбауера и т. д. Широко используется относительная градуировка путем сравнения сигналов от образцового и испытуемого прием­ ников, реагирующих на колебания одного и того же источника вибраций.

Выпускаются стационарные устройства, позволяющие градуировать прием­ ники ускорения на частотах от 0,1 Гц до 20 тыс. Гц. Наиболее точными являются методы определения уровней вибраций с помощью интерференционных лазерных установок, путем стробинтерференции, подсчетом числа исчезновения интер-

Рис. 2.7. Относительная градуировка приемников звука.

ференционных полос и др. Они дают погрешность отсчета смещения порядка 0,1 мкм. При работе на вибростендах следует обращать особое внимание на под­ держание линейности колебаний и на исключение влияния боковых колебаний виброплиты.

Автоматизированные портативные вибростенды обеспечивают постоянство значений колебательных ускорений виброплиты в рабочем диапазоне, частот. Это достигается применением электромеханической обратной связи с помощью образцового виброприемника, помещаемого симметрично измеряемому с обрат­ ной стороны виброплиты [7].

При градуировке путем сравнения показаний образцового и испытуемого приемников вибраций необходимо сохранять режим возбуждения и соответствие внешних условий (температуры, давления, характера крепления) режиму гра­ дуировки образцового приемника. Наиболее надежные результаты получаются при поочередном креплении приемников в одну и ту же точку конструкции. Использование одного измерительного тракта с переключением его на образцовый и испытуемый приемники при условии правильного согласования выходов при­ емников со входом усилителей повышает точность сравнения. Влияние попереч­ ных колебаний проверяется креплением приемника под прямым углом к напра­ влению основных колебаний.

Градуировка приемников вибраций методом взаимности [14] применяется сравнительно редко в связи с высоким уровнем электрических наводок от воз­ буждающего генератора. Однако только с помощью этого метода можно обеспе­ чить градуировку на частотах выше 30— 35 кГц.

§ 2.2. ИЗМЕРЕНИЕ ШУМА И ВИБРАЦИИ

Количественные измерения шумов и вибраций требуют обоснован­ ного выбора приемников звука (микрофонов, гидрофонов, виброприемников), измерительных трактов, измерительных помещений (когда это возможно), раци­ онального размещения и определения количества измерительных точек, а также соответствующей методологической оценки получаемых результатов.

Измерительные приемники звукового давления в воздухе— микрофоны — должны отвечать повышенным (по сравнению с их широко распространенными бытовыми аналогами) требованиям к стабильности характеристик во времени и при различных внешних условиях, а также к динамическому и рабочему диапа­ зонам частот. Для измерений применяются конденсаторные микрофоны, облада­ ющие большой чувствительностью, равномерной в широком диапазоне частот. При измерениях следует принимать во внимание чувствительность микрофонов, их направленность, уровень собственных шумов.

Для измерения воздушного шума широко используется шумомер— прибор, содержащий кроме микрофона усилитель с заданной частотной характеристикой и индикатор. Современные шумомеры предусматривают возможность использо­ вания различных частотных характеристик (А, В, С), регламентированных МЭК, октавного анализа, а также передачи информации на регистрирующие и анализи­ рующие устройства. Требования к характеристикам шумомеров содержатся в международных рекомендациях МЭК-

При измерениях в воде в качестве измерительных гидрофонов используются пьезокерамические герметичные приемники сферической и цилиндрической формы, а на высоких частотах ультразвука— в форме дисков. Для оценки пара­ метров вибрационного процесса используются устройства, измеряющие колеба­ тельное смещение, колебательную скорость и колебательное ускорение.

Смещение измеряется микроскопом и приемниками емкостного типа, а коле­ бательная скорость— приемниками индуктивного типа— велосиметрами [11]. Наиболее распространенными являются приемники колебательного ускорения (акселерометры) пьезоэлектрического типа, использующие пьезокерамику цирко- ната-титаната свинца (ЦТС-19, ЦТС-23) и других составов [8]. Рабочий диапазон таких приемников— от 1 Гц до десятков килогерц. С помощью интегрирующих цепей акселерометрами можно измерять также колебательную скорость и сме­ щение. Высокая стабильность и чувствительность, малые размеры и масса, широ­ кий диапазон рабочих температур, возможность работы в жидкой и газовой сре­

приемников [13].

Акустические величины обычно измеряются в логарифмическом масштабе — в децибелах, что объясняется трудностью использования линейных масштабов при большом изменении значений шума: от порога слышимости 2* 10"5 до порога

пороговые) уровни рассматриваемых величин.

За международный пороговый уровень интенсивности в воздухе принято значение / = 10-12Вт*м2. Пороговое значение звукового давления р0 = 2 X X 10"6 Па; в воде принято пользоваться пороговым значением р0. В повседневной практике уровень звукового давления часто выражают в децибелах, не оговари­ вая, но подразумевая, что нулевой уровень принят равным р0 = 2 - 10“5 Па.

Значения измеряемых вибраций также часто даются в децибелах относи­ тельно порогового уровня ускорения (ускорения силы тяжести) g = 9,80665 м/с2. Чувствительность акселерометров представляется выражением Af = и/g и от­ считывается в децибелах относительно 1 мВIg. В качестве нулевого порога коле-

При измерениях звуковой вибрации качество результатов зависит от харак­ тера крепления приемников вибраций и степени его влияния на колебания источ­ ника. Наиболее точные результаты получаются при жестком креплении вибро­ приемников к колеблющейся поверхности. Можно считать, что виброприемник не влияет на колебания поверхности, если масса его пренебрежимо мала по срав­ нению с погонной массой единицы длины колеблющейся поверхности. Поэтому применяют приемники малой массы: от 20 до 3 г [7].

§2.3. СПЕКТРАЛЬНЫЙ И КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

Практически все современные акустические анализаторы являютсярадиотехническими приборами, т. е. имеют дело с электрическими сигналами,, пропорциональными измеряемым акустическим величинам. При линейности всех элементов измерительного тракта (электроакустических преобразователей, усили­ телей, индикаторов) замена акустических сигналов электрическими законо­ мерна, и получаемым в результате анализа величинам могут быть приписаны акустические значения.

Спектральным анализом называется определение амплитуд и частот (или частотных участков) колебаний, входящих в состав измеряемого сигнала. Анализ заключается в экспериментальном выявлении с помощью частотно-избирательных

Рис. 2.8. Положение полос пропускания фильтров при последователь­ ном и одновременном спектральном анализе.

элементов — фильтров отдельных составляющих в сложном исследуемом сигнален Различают последовательный анализ, когда спектр сигнала получают путем последовательного изменения частотных свойств фильтров, «просматривая» таким образом весь исследуемый диапазон (рис. 2.8, а), и одновременный, когда сигнал подается на набор параллельно включенных фильтров так, что на их выходах одновременно получаются исследуемые частотные составляющие (рис. 2.8, б). Работа каждого фильтра при одновременном анализе аналогична работе фильтра, в соответствующем положении при последовательном анализе.

Практическая разница между последовательным и одновременным анализом заключается в том, что число фильтров во втором случае ограничено, участкистыки между фильтрами анализируются с меньшей точностью, и поэтому резуль­ таты при одновременном анализе будут несколько хуже, чем при последова­ тельном.

Основным элементом спектрального анализа является фильтр, который характеризуется шириной полосы пропускания, коэффициентом передачи в по­ лосах прозрачности и непрозрачности и крутизной спада частотной характери­ стики. Ширину полосы пропускания частот фильтра А/ определяют разностью между высшей и низшей частотами, на которых коэффициент передачи фильтра (отношение выходного напряжения ко входному) снижается на ЗдБ. Внутри полосы пропускания коэффициент передачи может изменяться в пределах ЗдБ.

Крутизну спада частотной характеристики фильтра оценивают обычно осла­ блением вне полосы прозрачности для заданной расстройки. При третьоктавном)

При одновременном анализе = const наибольшее время установления

будет у фильтров низкой частоты.

При последовательном анализе необходимо правильно выбирать скорость анализа. Динамическая частотная характеристика фильтра с непрерывно изме­ няющейся средней частотой отличается от статической тем, что максимум кривой уменьшается и смещается в направлении изменения частоты, а ширина полосы пропускания увеличивается (характеристика становится асимметричной). Это происходит из-за влияния инерционных элементов фильтра и взаимодействия его вынужденных и собственных колебаний. Для получения неискаженных резуль­ татов скорость изменения частоты настройки фильтра v при последовательном

где р0— постоянная, зависящая от требований, поставленных"при проведении анализа, и от характеристик фильтра [27].

Когда характеристики фильтра неизвестны, анализ носит общий характер; для определения и, Гц/с, можно пользоваться приближенным выражением

Общее время последовательного анализа сигнала определяется частным от деления ширины частотного диапазона анализатора на скорость анализа. Продол­ жительность его во много раз больше, чем одновременного.

Динамический диапазон анализатора — отношение максимального значения отдельных составляющих, которые могут быть разрешены прибором в его рабочем диапазоне частот, к минимальному — характеризует неустранимую ошибку ана­ лиза (для данного прибора), вызываемую отличием частотных характеристик идеальных фильтров от реальных в полосе непрозрачности. Для успешного ана­ лиза динамический диапазон сигнала должен быть меньше динамического диапа­ зона анализатора.

При спектральном анализе случайных процессов выявляются характери­ стики устойчивых средних значений, поэтому необходимо соответствующее усред­ нение получаемых значений во времени— интегрирование. Время интегриро­ вания сигналов At определяется на основе допустимой относительной средней квадратической погрешности ô результатов анализа случайного процесса

Расчет продолжительности анализа случайных процессов показывает, что время, затрачиваемое на этот анализ, значительно превышает время анализа детерминированных сигналов. При использовании для спектрального анализа случайных процессов промышленных приборов со сравнительно широкой полосой пропускания (октавных, третьоктавных) можно допустить большие погрешности, если не учитывать особенности усреднения случайного сигнала.

При выборе аппаратуры и условий проведения анализа необходимо учитывать характер спектра исследуемого сигнала, цель исследований и допустимое время анализа. При выявлении источников шумов следует применять анализ с постоян­ ной полосой пропускания, которая, однако, не должна быть чрезмерно узкой, так как источники производственного шума неизбежно флюктуируют в процессе работы. Для исследований по шумоглушению или звукоизоляции более подходит анализ с постоянной относительной полосой пропускания, так как звукоизоли­ руются обычно достаточно широкие частотные участки.

Одним из методов сокращения продолжительности анализа является транс­ понирование сигналов при их регистрации на магнитной ленте. При этом сигнал записывается с малой скоростью протяжки ленты, а воспроизводится с высокой; полоса воспроизведенного сигнала расширяется, а длительность анализа умень­ шается. Транспонирование сигналов низких частот удобно также тем, что пере­ носимый в область более высоких частот спектр сигнала можно анализировать.

с помощью промышленных приборов, рассчитанных на область средних и высоких частот [20]. Из спектральных устройств, предназначенных для анализа с транс­ понированием, необходимо отметить измерительные магнитофоны фирмы Брюль

иКъер типов 7001, 7003, 7004.

Втабл. 2.2 даны основные технические характеристики промышленных анализаторов и спектрометров.

Корреляционным анализом называется определение степени связи м еж д/ случайными явлениями на основе вероятностного подхода к оценке проходящих процессов. Математической мерой связи процессов является корреляционная функция, характеризующая вероятностную связь значений процессов, разделен­ ных интервалом времени.

Корреляционный анализ заключается в экспериментальном определении

зависимости корреляционных функций от изменения задержки во времени одного

где T — задержка во времени одной функции по отношению к другой; черта над произведением указывает на усреднение во времени.

Функция автокорреляции, определяющая вероятностную связь одного про­ цесса в разные моменты времени, запишется так:

Практически значение Т определяется допустимой погрешностью и видом используемой аппаратуры.

Корреляционные функции связаны преобразованиями Фурье с энергети­ ческим спектром процессов:

нительной информации по сравнению со спектральным анализом. Однако в ряде случаев корреляционные методы позволяют упростить, ускорить или облегчить анализ.

Для исключения влияния числовых характеристик процессов на оценку используют нормированные значения— коэффициенты взаимной корреляции

Если процессы являются независимыми, то нормированная функция их взаимной корреляции равна нулю. Однако равенство нулю коэффициентов кор­ реляции наблюдается при определенных условиях и для взаимосвязанных про­ цессов.

Коэффициенты взаимной корреляции и автокорреляции изменяются в пре­ делах от + 1 до — 1. Равенство единице соответствует линейной связи между процессами: х (t) = пу (t), где п — численный коэффициент. Функция авто­ корреляции при значении т = 0 равна среднему значению квадрата функции, т. е. характеризует мощность исследуемого процесса. Коэффициент автокорреля­ ции при г = 0 равен единице.

Корреляционные функции различных сигналов, используемых для анализа, характеризуются интервалом когерентности (или корреляции), т. е. таким вре­ менем задержки между явлениями, при котором они могут считаться независи­ мыми. Практически за интервал корреляции принимают время задержки, начиная с которого при дальнейшем увеличении его значения огибающая коэффициента автокорреляции не может превышать заданного значения (обычно 0,1).

Функция автокорреляции периодических процессов также периодична, а интервал корреляции их равен бесконечности.

Интервал корреляции обратно пропорционален ширине спектра сигнала. Особый интерес при корреляционном анализе представляют сигналы с наимень­ шим интервалом корреляции (например, случайные сигналы со спектром коло­ кольной формы).

1________ __________________________________________ 1

Рис. 2Л0. Блок-схема установки для измерения акустического отно­ шения в помещении корреляционным методом.

1 — генератор полос шума; 2 — измеряемое помещение; 3 — излучатель; 4 — приемник; 5 — усилитель; 6 — фильтры; 7 — задержка времени; 8 — умно­

житель; 9 — интегратор; 10 — индикатор.

Типовой корреляционный анализатор [22] содержит два канала усиления и фильтрации, блок переменной задержки времени в одном из каналов, блок умно­ жения и интегрирования. В связи с трудностью выполнения операции умножения в современных корреляционных анализаторах распространена система оценки вероятности знакосовпадеиия исследуемых сигналов, предварительно ограни­ ченных по амплитуде. Задержка времени в таких приборах может быть выпол­ нена на элементах дискретной техники— регистрах сдвига,, управляемых гене­ ратором тактовых импульсов, что существенно упрощает установку [23]. Пред­ ставляют интерес корреляционные анализаторы, сочетающиеся с анализаторами взаимного спектра [1].

Рассмотрим применение корреляционного анализа на примере определения акустического отношения в помещении, т. е. отношения энергии суммы отражен­ ных сигналов к энергии прямого сигнала в точке приема. Блок-схема установки для измерения приведена на рис. 2.10. При излучении полосы шумового сигнала на один канал коррелятора поступает сигнал, излученный в помещении, при­ нятый микрофоном и усиленный в электронном тракте, а на другой канал-, снаб­ женный переменной задержкой времени, — сигнал непосредственно от генератора шума. Принятый микрофоном сигнал образуется не только прямым звуком от излучателя, но и отражениями от стен, пола и потолка помещения. Путь звука от излучателя к приемнику короче, чем путь любого отраженного сигнала. По­ этому параметры анализатора и характеристики сигнала выбираются так, чтобы интервал когерентности сигнала т0 (характеризующий здесь протяженность коге­ рентного пакета в пространстве I = 2т0с) был меньше разницы времени распро-