Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Справочник по судовой акустике

..pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
31.94 Mб
Скачать

странеиия звука по прямому пути от излучателя к приемнику и по крат­ чайшему пути с отражением /2:

 

Акустическое отношение

R находят по

формуле

 

 

 

 

 

R =

I

1.

 

(2.3.8)

 

 

 

Я2 (Ti)

 

 

 

 

 

 

 

 

где

= IJc— задержка времени,

соответствующая прямому

пути.

пери­

 

Корреляционные

анализаторы

широко

применяются для

выявления

одических сигналов при наличии случайных помех.

 

звуко­

 

Корреляционный

метод

обеспечивает

измерение звукоизоляции,

поглощения и отражения,

причем в связи с высокой помехоустойчивостью

он особенно удобен для камер с плохой звукоизоляцией, имеющих высокий уровень помех.

Корреляционный анализ позволяет без выключения работающих механизмов определить вклад одного из них в суммарное звуковое или вибрационное поле.

Применение корреляционного анализа целесообразно для определения ско­ рости распространения звука в материале по данным изменения функции корреля­ ции от задержки времени. Удается разделить продольные, изгибные волны, волны Рэлея, Лэмба, различающиеся скоростью распространения звука. Для этого длину образца следует выбирать в соответствии с интервалом когерентности используемых сигналов и ожидаемой разницей в скоростях звука.

§2.4. ИЗМЕРЕНИЕ ИЗЛУЧАЕМОЙ МЕХАНИЗМОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ*

Вибрационные процессы большинства механизмов — стационарные случайные. Колебательная мощность N, излучаемая такими механизмами в опор­ ные и неопорные связи, является средним во времени значением скалярного произведения силового давления P (s, t) со стороны механизма и скорости коле­ бательного движения плоскости контакта q (s, t):

12

N =

lim

 

j J p (s .O ? (s .O

(2.4.1)

 

tv■*а=Д/-*в»

А/

ils

 

Механизм, амортизацию и фундамент допустимо рассматривать как дискрет­ ную систему с определенным числом плоских участков контактов. В этом случае

N — сумма колебательных мощностей N", излучаемых через отдельные плоские

участки контакта с опорными и неопорными связями отдельными составляющими обобщенных сил, действующих со стороны механизма. Спектральная плотность

N” (©) потока колебательной энергии равна

 

Nf (ш) = <Э"9ф И ? ? эф (со) cos а,

(2.4.2)

где

Эф (ю) и <??Эф(<й)— эффективные значения спектральных

составляющих

силы воздействия со стороны механизма и скорости вибрации п участка в t'-м на­ правлении; а — угол сдвига фаз между силой и скоростью.

В полосе частот До)

 

(Д) = <2?эф(А®) ?"эф(A®) ReRn,

(2.4.3)

* Параграф написан В. И. Попковым.

где R eR n — действительная часть коэффициента корреляции между Q*} и q*

вполосе частот Асо.

Впервом приближении

N 1} (Дез) = [<?"эф (А©)]2 Ке -^"”аф (Да),

(2.4.4)

где R e Z " " ^ (A © ) — действительная часть сопротивления

системы амортиза­

ция — фундамент в полосе частот.

Экспериментально колебательную мощность, излучаемую механизмом, можно определить двумя способами: непосредственным — как среднее во времени ска-

 

Рис. 2.11. Блок-схема измерителя колебательной

мощности: а — схема;

 

 

б — установка датчика силы под механизмом.

 

 

1 — датчик

силы; 2 — датчик ускорений; 3 —, усилители; 4 — интегрирующее

 

устройство;

5 — двух канальный анализатор; 6 — умножительное

устройство;

 

 

7 — самописцы.

 

 

лярное произведение силы <?" на соответствующую скорость

и косвенным—

по

скоростям

вибрации механизма и механическим

сопротивлениям опорных

и

неопорных

связей.

 

 

 

Непосредственным способом производят измерения колебательной мощности,

излучаемой при действии нормальных к опорам сил.

колебательной мощности

 

На рис. 2.11 представлена блок-схема измерителя

непосредственным способом. По этой схеме выполнен

отечественный измеритель

типа ИКМ-69. В измерителе осуществляются синхронный и синфазный анализ сигналов, пропорциональных силе и скорости, перемножение этих сигналов в по­ лосе прозрачности анализирующего устройства и усреднение полученного произ­ ведения во времени. При оценке (в ДБ) силы скорости и мощности за нулевые уровни приняты: 2-10“ ° H; 7-К)~6 см-с и 10"1в Вт.

Датчик силы устанавливается в болтовом соединении-и служит элементом, через который передается сила от механизма к опорным и неопорным связям. Этот датчик может быть установлен между лапой и фундаментом (рис. 2.11, б), либо между лапой и крепежной гайкой болта (рис.2.11. а). В первом случае фикси­ руется от 70 до 90% силы воздействия на фундамент, во втором— примерно одна десятая часть [26].

Косвенным способом удается определить колебательные мощности, излуча­ емые при возбуждении любых составляющих вибрации — линейных и поворотных.

Значения сопротивления опор и неопорных связей по отношению к силам и мо­ ментам измеряют с помощью методов,- изложенных далее.

Сигналы с датчиков поступают на предварительные усилители и затем на общий измерительный усилитель. Фазовые характеристики датчиков должны

различаться на 180°,

а коэффициенты усиления предварительных усилителей /г.•

и .

регулируются

до выполнения равенства

я1

 

 

6 ï i * ï t

=

6ÿ2ft,,'i-

(2.4.5)

 

Чувствительность

по отношению

к

крутильным

колебаниям

= kqllqil.

Измерение механических сопротивлений. Точечное механическое сопротив­ ление по отношению к усилию Zp определяют как комплексное отношение при­ ложенной к линейной системе силы F к составляющей скорости точки приложения

этой силы qf :

ZF = ^— .

(2.4.6)

Чр

 

На рис. 2.12 приведена схема устройства измерения механических сопро­ тивлений. Электрический сигнал с генератора звуковой частоты 1 через блок компрессии 2 и усилитель мощности 3 поступает на вибратор 8. Частота сигнала изменяется плавно, а напряжение регулируется блоком компрессии таким обра­ зом, что уровень скорости возбуждаемых колебаний поддерживается постоянным во всем частотном диапазоне. В таком случае силовое воздействие пропорци­ онально модулю сопротивления исследуемых конструкций, и записанная на ленту самописца 17 частотная характеристика действующего усилия соответствует частотной характеристике модуля сопротивления. Произведение сигналов силы up и скорости Uÿ с учетом косинуса угла а сдвига фаз между ними пропорционально

действительной части сопротивления ReZ/r, а то же произведение с учетом синуса угла сдвига фаз — мнимой части сопротивления 1шZp. Сигнал ускорения с по­ мощью интегрирующего усилителя 15 преобразуется в сигнал, пропорциональный вибрационной скорости, и операция перемножения upuq и cos а выполняется электронным умножающим устройством 16.

Для измерения механической податливости М (величины, обратной меха­ ническому сопротивлению) блок компрессии 6 поддерживает постоянным значение силы, а на ленту самописца в качестве модуля |M F \записывается частотная ха­ рактеристика скорости возбуждаемых колебаний.

На рис. 2.13 изображена блок-схема трактов для измерения сопротивлений и податливостей с помощью аппаратуры фирмы Брюль и Къер [7].

Для измерения силы и скорости используют комбинированный датчик — импедансную головку, вырабатывающую сигналы силы и ускорения, либо устрой­ ства, комплектуемые из датчиков силы и ускорения. Широкий диапазон частот и величин механических сопротивлений обусловливает жесткие требования к кон­ струкции комбинированных датчиков и устройств, способам и качеству их кре­ пления к исследуемым изделиям.

Основными факторами, влияющими на точность измерения Z fu M f, являются:

масса переходного узла (переходника) между датчиком силы и исследу­ емой конструкцией;

жесткости переходника и узла, крепящего датчик к исследуемым кон­ струкциям;

тензочувствительность датчика ускорений.

Масса переходника ограничивает нижний предел динамического диапазона измерения сопротивлений, особенно на высоких частотах, так как датчик силы измеряет и усилие, затрачиваемое на преодоление инерции переходника.

Жесткости переходника и контакта, а также тензочувствительность датчика ускорений ограничивают верхний предел динамического диапазона измерения сопротивлений.

Ci

A*

10

11

Рис. 2.12. Блок-схема измерителя механических сопротив­ лений: а — измерение комбинированным датчиком; б — из­ мерение датчиками силы и ускорений, датчик ускорений под датчиком силы; в — то же, датчик ускорений на некотором расстоянии от датчика силы

2 1

Поиск конструкций

комбинированных датчиков и устройств

направлен

на устранение упомянутых

факторов. На рис. 2.14 приведены возможные схемы

установки датчиков силы,

ускорений и конструкцийкомбинированных датчи­

ков [26, 38]. Вносимые переходником погрешности можно устранить

корректи.

Рис. 2.13. Блок-схема тракта измерения сопротивления прибо­

рами фирмы

Брюль

и К/ьер:

а — возбуждение

чистым тоном,

/ — колеблющееся

исследуемое

изделие;

2 — импедансиая

головка;

3 — предусилитель

2623; 4,

7 — измерительный усилитель;

5 — само­

писец уровня; 6 — генератор

сигналов;

8 — сигнал скорости;

9 — сиг­

нал ускорения;

10 — предуснлительиый

интегратор;

11 — вибратор;

 

 

 

12 — сигнал силы

 

 

 

6 — частотно-избирательные измерения.

 

 

1 — колеблющееся

исследуемое

изделие;

2 — импедансиая

головка;

3 — предуснлительиый

интегратор;

4,

 

7 — гетеродинный

сопрово­

ждающий фильтр;

5 — самописец

уровня; 6 — генератор

сигналов;

8 — предусилитель;

9 — сигнал

силы;

10 — вибростенд;

И — сигнал

ускорения; 12 — сигнал скорости;

13 — источник

питания.

ровкой сигналов, поступающих с датчиков силы и ускорения, с помощью элек­ тронных средств [26].

Механическое сопротивление конструкций по отношению к моменту ZM определяется комплексным отношением приложенного к гармонически колеблю­

щейся конструкции изгибающего момента М к составляющей скорости поворота ф. Воздействие на исследуемую систему изгибающим моментом может быть осуще­ ствлено с помощью консольной Т- или Г-образной балки.

На рис. 2.14 показана система, позволяющая определять сопротивление по отношению к моменту. На свободный конец балки воздействуют поперечным усилием. При этом в месте закрепления балки возникает изгибающий момент. Считается, что участок балки, малый, сравнительно со всей ее длиной, подвер­ гается чистому изгибу и продольная деформация пограничного слоя пропорци-

Рис. 2.14.

К определению сопротивлений по

отношению к

моменту.

1 — вибраторы;

2 — балка; 3 — датчики деформации;

4 — датчики поворотных ко­

лебаний; 5 — исследуемое изделие; 6 — предварительные усилители;

7 — измери­

 

тельный усилитель.

 

 

ональна действующему в его поперечном сечении моменту. Для измерения М достаточно определить деформацию пограничного слоя балки вблизи ее корне­ вого сечения. Приемники деформации наклеиваются с обеих сторон балки в пло­ скости действия момента и включены электрически встречно для исключения влияния деформации сдвига и продольной волны на. их показания.

§2.5. МЕТОДЫ ПОДОБИЯ И РАЗМЕРНОСТИ

ВСУДОВОЙ АКУСТИКЕ

Явления называются подобными, если численные значения величин, характеризующих процесс в одной системе тел, могут быть получены умножением соответствующих им значений величин в другой системе на постоянные безраз­ мерные множители. Подобие используется для, создания практически удобных условий исследования некоторых процессов, натурная оценка которых сложна, дорога или мало надежна. Такая замена называется моделированием.

Различают геометрическое, физическое и математическое моделирование. Геометрическое моделирование служит для демонстрации, показывая принцип действия, общий характер протекания процесса или вид звукового поля. Физи­ ческое моделирование предназначено для определения численных значений вели­ чин, оценивающих поведение объекта^» натуре, путем измерения соответству­ ющих величин в модели. Математические модели основаны на математическом описании явлений и численном решении уравнений, описывающих натуру.

Подобие явлений и процессов при физическом моделировании требует как учета основных уравнений, описывающих процесс, так и выполнения ряда крае­ вых условий, обеспечивающих тождественность и однозначность процессов для натуры и модели. Константами подобия называются отношения соответственных величин, характеризующих подобные процессы в соответствующих точках и мо­ ментах времени. При физическом моделировании эти отвлеченные числа назы-

ваются масштабами моделирования. Критериями подобия называются безраз­ мерные комплексы величии, которые в подобных явлениях имеют одинаковые значения. Например, при колебаниях изотропного твердого тела-такие критерии имеют вид:

cl

P

= idem; G = idem,

 

- J - = idem;

p£/ô

(2.5.1)

где c} lt t, p, p, fi представляют собой размерности скорости, длины, времени, давления, плотности, объемного расширения, £/., G— модули упругости и сдвига.

Если уравнения, описывающие исследуемые явления, неизвестны,

но изве­

стны физические величины, их описывающие,

то критерии подобия могут быть

найдены на основе анализа размерностей.

выбирать произвольно,

исходя

Часть

масштабов

моделирования

можно

из удобства

постановки

эксперимента,

остальные определяются через критерии

подобия и условия однозначности.

Наибольший интерес в акустических исследованиях представляет физическое моделирование процессов с сохранением геометрического подобия (т. е. при усло­ вии уменьшения или увеличения размеров модели сравнительно с оригиналом). При этом из соображений практического удобства задаются масштабами для некоторых величин (например, длины, ускорений); все остальные параметры опре­ деляют из критериев подобия и анализа размерностей. Учет диссипативных потерь вследствие внутреннего трения производится на основе комплексного представления модулей упругости и сдвига; при этом условия" подобия сохра­ няются, если модули упругости не зависят от амплитуды и частоты колебаний.

Диссипативные потери в газах вследствие теплопередачи, вязкости и молеку­ лярного поглощения не моделируются.

Для физического моделирования при условии сохранения материалов в на­ туре и модели (т. е. при условии, что постоянные p, E f, G одинаковы) масштаб моделирования линейных размеров М^ должен быть равен масштабу времени Мт

и обратно пропорционален масштабу частоты Mft т. е.

= Mr =

l/Mf. Ско­

рость распространения продольных и поперечных волн

остается при

этом не­

изменной для натуры и модели. Несмотря на изменение размеров, скорость рас­ пространения изгибных волн также сохраняется постоянной, так как уменьшение толщины компенсируется увеличением частоты. При таком моделировании может приниматься произвольное отношение масштаба деформаций с масштабом линей­ ных размеров. Например, при неизменном ускорении в натуре и в модели мас­ штаб скоростей должен быть равен а масштаб моделирования смещения М\ш

Выбор численных значений основных масштабов моделирования опреде­ ляется конкретными целями исследований. Линейные масштабы при геометри­ ческом подобии натуры и модели определяются возможностью передать в модели все особенности оригинала и удобством измерения на моделях. Как правило, линейный масштаб колеблется от 1 : 5 до 1 : 200. Слишком крупный масштаб моделирования не дает научного и экономического эффекта — модели полу­ чаются слишком дорогими и громоздкими, хотя и достаточно точны. Слишком мелкий масштаб не позволяет правильно воспроизвести натуру, а измерение на малой модели дает большую погрешность.

Наибольшие трудности при моделировании акустических процессов в судо­ строении связаны с влиянием диссипативных потерь, так как моделирование будет справедливо лишь при условии, что потери одинаковы на частотах модели и оригинала.

Правильная постановка измерений в условиях уменьшения линейных раз­ меров и увеличения частоты требует выбора средств и методов, соответствующих модельному диапазону частот: приемники звука и вибрации должны быть суще­ ственно малы по сравнению ç наименьшими длинами звуковых волн. Они не должны оказывать влияния на протекание акустического процесса своими рас­ сеивающими и.звукодемпфирующими свойствами.

На основе, общности дифференциальных уравнений, характеризующих рас­ пространение звука по конструкциям и протекание тока в сложных электрических цепях, успешно применяется также электрическое моделирование многих звуко­ вых процессов [13].

§2. 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ

ИТОЧНОСТИ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ*

Прежде чем получить количественные данные при любых акусти­

ческих измерениях, следует убедиться

в

достоверности ожидаемого результата

и оценить предполагаемую точность. В

противном случае можно допустить гру­

бые ошибки, приняв за результат набор

случайных величин, не имеющих отно­

шения к исследуемому, измеряемому или контролируемому процессу. Проверка достоверности позволяет убедиться в том, что измерительным

трактом воспринимаются именно исследуемые акустические величины, а не по­ мехи различного происхождения (электрические наводки, шумы соседнего произ­ водства и т. д.). Из разнообразных способов проверки следует упомянуть выклю­ чение источника полезного сигнала, ослабление его силы с помощью хорошо изолирующих экранов, изменение расстояния между излучателем и приемником. При достоверных измерениях выходной сигнал приемного тракта изменяется

вточном соответствии с изменением акустической величины.

Воценку достоверности должна быть включена характеристика помехи, т. е. показания измерительного тракта в отсутствие сигнала измеряемой акустической величины.

Достоверность акустических измерений определяется также правильной методикой измерений, соответствующей характеру измеряемой величины. На­ пример, измерения флюктуирующей величины требуют определенного усреднения во времени; измерения шума движущегося источника неподвижным приемником требуют правильного выбора момента измерения и при необходимости — учета явления Допплера, и т. д.

Большое значение имеет визуальный контроль измеряемой величины по экрану осциллографа, часто позволяющий оценить характер помехи, которая может иметь как акустическое, так и электрическое происхождение.

Точность измерений определяется во всех случаях конкретными условиями.

Точность измерений характеризуют погрешностью

А/?, представляющей

собой разницу между истинным Д0и измеренным R значениями измеряемой вели­

чины:

(2.6.1)

ДД = Д 0- Д .

Погрешность измерения акустических величин типового акустического тракта может быть представлена следующим образом.

В общем виде выражения для измеряемого параметра звукового давления или колебательного ускорения имеют вид

 

К

с*

 

^

U

р = Mk </) s (/)

1 =

Мфг (/) Sl (!)

'

' }

где а, и± — отсчеты по шкалам делителей напряжения и индикаторов; М,

чувствительности приемников;

к (/),

k± (j)

суммарный коэффициент

передачи

измерительного тракта; s (f),

(f) — функция, характеризующая влияние усло­

вий измерения на его результаты (например, влияние отражающих поверхностей, характера крепления приемников вибрации и т. д.).

Погрешность отсчета величин и и ut по шкалам приборов определяется клас­ сом приборов и их соответствием характеру измеряемых сигналов (особенно при регистрации кратковременных и флюктуирующих сигналов). Погрешность гра­ дуировки делителей может быть существенной, поэтому лучше избегать пере­ ключения делителей в процессе измерения. При необходимости, однако, с по­ мощью электрической градуировки тракта эта погрешность может быть сведена к незначительной.

Погрешность, вызываемая нестабильностью коэффициента передачи тракта величины к (f) и kx (f), зависит от качества источников питания и от характера теплообмена между аппаратурой и окружающей средой. Для обеспечения тепло­

* В написании параграфа принимал участие И. И. Боголепов.

вого баланса необходимо предварительное включение измерительной аппаратуры для прогрева, не менее чем за 30 мин до начала измерений.

Погрешности градуировки (относящиеся к величинам М и 7ИХ) обычно ука­ зываются в техническом паспорте приемника вместе с. условиями градуировки — температурой, давлением, ориентировкой и т. д. При несоответствии условий градуировки условиям измерений возможны заметные ошибки, так как чувстви­ тельность многих приемников зависит от температуры, ориентации и т. д.

Погрешности, вызываемые влиянием условий измерения, относящиеся к ве­ личинам s (t) и Sx (0» зачастую являются наиболее весомыми, так как они вклю­ чают влияние дифракционных и волноводных явлений, отражений от границ измерительного объема, характера крепления приемников и др.

Для повышения точности измерений важен правильный выбор расстояния г от источника звука до места измерения; желательно, чтобы измерения произ­ водились в зоне, где характеристика направленности источника сформировалась;

г >

2D2lKt где D — габаритный размер излучателя.

ч

.Погрешности акустических измерений складываются из суммы системати­

ческих погрешностей и случайных погрешностей измеряемой величины. Систематические погрешности перед началом измерений обычно бывают изве­

стны. Их определяют стандартными методами и учитывают введением соответ­ ствующих поправок в результаты измерений. Для исключения систематических погрешностей рационально использовать акустический эталон [4]. С этой же

целью, разрабатывая методику измерений, целесообразно сводить

измерения

к относительным, проводимым одним трактом.

измерений

Погрешности, вызванные воздействием случайных факторов, до

и даже при единичных измерениях выявить нельзя. Их можно учесть лишь при обработке статистическими методами ряда повторных измерений, причем чем больше этот ряд, тем полнее информация о случайных погрешностях.

При нормальном законе распределения случайная погрешность A # и вероят­

ность 2Ф (t) связаны между собой формулой

 

 

Д(1 А/? |< too) =

(t),

(2.6.3)

 

 

V2

где <т0— среднеквадратическое отклонение;

Ф (t) —

2 dv—функ-

ция' Лапласа.

Если величина R измерена п раз и результат усреднен

(2.6.4)

1-1

то

(2.6.5)

Для расчета случайной погрешности по формулам (2.6.3) и (2.6.5) необходимо знать ог0— среднее квадратическое отклонение измеряемой величины.

Среднее квадратическое отклонение случайной величины S по данным вы­

борки объема п равно

____________________

 

s = j /

* Д (Rt - Ю 2

(2.6.6)

Если выборка производится из нормальной совокупности, то величина nS*/a§

имеет ха распределение с числом степеней свободы k = п 1. Здесь сг0

искомое

среднее квадратическое отклонение.

 

 

Вероятность распределения ха подсчитывается по формуле

 

В ( X2 >

Х^) = 'Ф (Xfl)>

(2.6.7)

где

♦ ( 4 ) -

И т ) *

xkt2— 1

dx\

 

 

 

V

 

 

 

r

( 4

Л Г

* * * - 1* .

К ' *

О )

-

Оценим сг0 с помощью вероятности распределения

(2.6.8)

Примем с вероятностью ^(Xj)* близкой к единице, наибольшее из возможных значений о0 за искомое среднее квадратическое отклонение (оценка сверху):

SVOt

(2.6.9)

ъ,

Если число степеней свободы к > 30, то формулу (2.6.8) можно упростить:

 

sV Y n

(2.6.10)

5 ° 0 <

’ 0 ,5 + Ф (< )

V 2 k — 1 — t

 

Следовательно, с заданной вероятностью,THOC1 близкой к единице, получаем оценку сверху среднего квадратического отклонения:

s V 5 n

(2. 6. 11)

V 2 n — 3 — t'

Формулы (2.6.9) и (2.6.11) являются расчетными для определения вели­ чины <т0.

Если

принятая вероятность близка

к единице,

то, подставив величину о0

в формулы (2.6.3) и (2.6.5), получим расчетные формулы:

 

 

 

В ( | А Я | < * д , ) » 2 Ф ( * ) ;

 

(2. 6. 12)

 

В

а

(t)

,

(2.6.13)

 

|А/?|Я <

где

 

]Гп

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|ДЯ|„ =

 

 

 

 

 

 

 

i - I

 

 

 

Знак

приближенного

равенства в

формулах

(2.6.12)

и (2.6ИЗ) появился

в связи с тем, что в формулы (2.6.3) и (2.6.5) подставлено не истинное среднее

квадратическое отклонение

о0, а его оценка сверху о0 с вероятностью, близкой

к единице (например, 0,99).

 

 

Предельная случайная погрешность измеряемой величины с вероятностью,

примерно равной 2Ф (t) =

0,9973, определится

по формулам:

 

Ai? =

3<Joi

(2.6.14)

 

_

ЗсУр

(2.6.15)

 

ARN =

V n

 

 

Соседние файлы в папке книги