АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
534.6
Лабораторная модель гидроакустического
приемника
А. Е. ИСАЕВ, И. В. ЧЕРНИКОВ
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: isaev@vniiftri.ru
При выполнении метрологических работ предложено создавать исчерпывающую лабораторную модель гидроакустического приемника с тем, чтобы на ее основе получать частные метрологические характеристики, адекватные целям и условиям применения приемника по назначению.
Ключевые слова: гидроакустический приемник, подводный шум, градуировка, реверберационное звуковое поле.
During carrying out the metrological works it was proposed to create a comprehensive laboratory model of underwater receiver to obtain on its basis the receiver metrological characteristics adequate to purposes and conditions of receiver intended application.
Key words: underwater receiver, underwater noise, calibration, reverberant sound field.
Обеспечение единства измерений уровней подводного шума обусловило высокие требования к точности контроля характеристик гидроакустического приемника. В этой ситуации от первичного эталона требовалось с максимально возможной точностью воспроизводить единицу акустического давления на нормированном наборе частот и передавать ее ограниченной номенклатуре измерительных гидрофонов. При совершенствовании эталонной базы предполагали расширение частотного диапазона и повышение точности воспроизведения и передачи единицы на третьоктавных частотах. Тем самым проблема метрологического обеспечения гидроакустических измерений сводилась к проблеме допус-кового контроля при изготовлении и эксплуатации гидрофона. Для решения этих задач исчерпывающая модель гидроакустического приемника была избыточной, вследствие чего оказались невостребованными измерения фазовой характеристики приемника, подробной частотной характеристики, чувствительности в полосах частот по свободному и диффузному полю, переходной характеристики и др. Так продолжалось до тех пор, пока не стало очевидным, что достигнуты такие точности эталона и градуировки гидрофона, которые перестали сказываться на инструментальной погрешности натурных измерений. Чтобы приблизиться к требованиям современных стандартов по точности измерений излучаемого кораблем подводного шума, единицу необходимо передавать не гидрофону, а всему гидроакустическому приемнику в том виде, как его применяют в море, и не на треть-октавной частоте, а в третьоктавной полосе частот, при этом частотный диапазон градуировки по полю следует по возможности продлить в сторону низких частот. Оказалось, что тонально-импульсный метод градуировки плохо подходит для этих целей [1, 2].
Проблемы использования стандартизованной процедуры градуировки. На начальном этапе стандартизации гидроакустических измерений каждая точка на частотной характеристике гидрофона стоила больших затрат и третьок-тавный ряд считали достаточно подробным для градуиров-
ки и измерений. Сегодня стало очевидным, что такая «бедная» характеристика не может удовлетворить современным запросам.
При забивании свай в морское дно технические регламенты предполагают нормирование и измерение таких характеристик излучаемого в воду акустического сигнала, как выраженные в децибелах пиковое pp, и пик-пиковое pp-p акустические давления, SPL — среднеквадратическое акустическое давление в импульсе относительно 1 мкПа; SEL — уровень экспозиции как сумма квадратов акустического давления в импульсе относительно 1 мкПа2с.
Если измерения двух последних шумовых характеристик можно выполнить гидрофоном, отградуированным традиционным способом, то измерения первых двух характеристик требуют точного определения формы акустического сигнала. Чтобы ее получить, необходимо знать точную импульсную характеристику измерительной системы, включая гидроакустический приемник. В настоящее время отсутствуют стандарты на методы измерений такой характеристики, как и понимание того, насколько подробно ее нужно измерять и нормировать.
В гидроакустике существуют только два международных стандарта на эталонный гидрофон и его калибровку [3, 4], которыми руководствуются во всех случаях, хотя они ограничивают возможности метрологических работ калибровками на частотах третьоктавного ряда.
Измерение шума корабля по сути является обратной задачей, решение которой требует знания полной динамической характеристики приемника: отклика на 8-импульс либо комплексной частотной характеристики. Сложность получения полной динамической характеристики вынуждает пользоваться на практике частными динамическими характеристиками, которые определяют в результате градуировки. Типичный пример — чувствительность гидрофона на ограниченном наборе частот третьоктавного ряда. Эта характеристика весьма удобна для использования в условиях метрологических лабораторий, однако явно недостаточна для
Рис. 1. Частотная характеристика чувствительности гидрофона
ТС4034
измерений подводного шума корабля в третьоктавных полосах частот.
При измерениях подводного шума среднеквадратичес-кое значение (СКЗ) звукового давления в третьоктавной полосе частот вычисляют по результатам измерений выходного напряжения гидрофона в той же полосе. Для частотных полос, в которых неравномерность частотной характеристики приемника пренебрежимо мала в сравнении с погрешностью измерений, СКЗ звукового давления получают делением СКЗ выходного напряжения на чувствительность гидрофона на номинальной частоте третьоктавной полосы. Если неравномерность значительна, то использование чувствительности на номинальной частоте становится некорректным, однако и в этой ситуации вынужденно используют эту характеристику, поскольку при градуировке гидроакустического приемника определяют только набор чувствитель-ностей на третьоктавном ряде частот. При таком подходе задача валидации (проверки соответствия характеристик средств измерений (СИ) решаемой измерительной задаче) приемника подводного шума остается нерешенной, поскольку при градуировке решают задачу, которую научились решать, а не ту, которую нужно решить на полигоне [2].
Для измерений подводного шума больше подходит другая характеристика гидрофона — набор чувствительностей в третьоктавных полосах частот [5]. Конечно, эта характеристика не позволяет решать задачу восстановления входного сигнала, но дает возможность получить требуемые численные оценки СКЗ шума. Отметим, что для измерений под-
Рис. 2. Результаты градуировки гидрофона ГИ 54, установленного штатно на носителе (1, 4), при снятом обтекателе (2) и собственная частотная характеристика гидрофона (3)
водного шума от удара гидравлического молота морского копра чувствительность в третьоктавной полосе частот может оказаться неподходящей настолько же, насколько и чувствительность на третьоктавной частоте.
На рис. 1 приведена частотная характеристика чувствительности измерительного гидрофона, полученная при международных сличениях результатов калибровок гидрофонов СООМЕТ 561^и/12. Для восстановления формы акустического сигнала значений на частотах третьоктавного ряда (светлые точки на рис. 1) явно недостаточно. Их мало даже для того, чтобы правильно оценить неравномерность частотной характеристики самого гидрофона. Если градуировку гидрофона ТС 4034 выполнить с шагом 10 кГц (темные точки на рис. 1), то неравномерность частотной характеристики можно оценить с большей достоверностью, но это не меняет ситуации с решением задачи восстановления акустического сигнала.
Для морского копра требуется оценивать ударную энергию, преобразованную в подводный звук, и воздействие этого звука на морских животных. Уже сегодня очевидны экономические последствия неправильного измерения уровня звуковой экспозиции или восстановления формы акустического сигнала для оценки пикового значения акустического сигнала копра, для которого энергия удара гидравлического молота при забивании стальной сваи в дно по разным источникам может превышать 1400 кДж.
При измерениях в море гидрофон устанавливают в специальную конструкцию, которую за рубежом называют системой вывешивания [6], в отечественных источниках — носитель. Носитель, как правило, имеет большие габаритные размеры и помимо обеспечения плавучести и ориентирования гидрофона содержит контейнер с периферийной аппаратурой, обтекатель и другие герметичные узлы, выполнить которые акустически прозрачными не удается.
На рис. 2 приведены результаты градуировки гидроакустического приемника — гидрофона, установленного в экспериментальный образец носителя. Кривая 3 представляет собственную частотную характеристику гидрофона, кривые 1, 2 — то же для гидрофона, установленного штатно в экспериментальном образце и со снятым обтекателем. Кругами 4 на кривой 1 обозначены значения чувствительности на третьоктавных частотах. Размах и частота осцилляций зависимостей 1 и 2 показывают, что градуировка такого приемника на третьоктавных частотах не имеет смысла, так же значения в этих точках, с какой бы высокой точностью они ни были получены, не позволяют сколько-нибудь достоверно оценить неравномерности кривых.
Приведенный пример с крайне неудачной конструкцией носителя выбран умышленно, чтобы отметить следующие проблемы. Первая — неудачная конструкция носителя, которую можно улучшить, если детально знать, насколько конструкция неудачна. Вторая — невозможность получить представленные на рис. 2 зависимости, использовав временную селекцию тонально-импульсного сигнала. Третья проблема — невозможность использовать чувствительность на третьоктавных частотах для измерений шума в третьоктавных полосах. Кроме того, если по кривой 3 (гидрофон без носителя) можно оценить пиковое значение шума морского копра хотя бы грубо, то рис. 2 в целом показывает бесполезность использования для этой цели всей конструкции приемника.
Метрологическая модель гидроакустического приемника. Схема эталонных лабораторных измерений подразумевает ориентирование градуируемого гидрофона опорным направлением на излучатель либо известный относительно опорного направления угол падения звуковой волны. Опорное направлен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.