534.612:681.88
Лабораторная градуировка приемника для измерений уровней подводного шума
корабля
А. Е. ИСАЕВ
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: isaev@vniiftri.ru
Рассмотрена градуировка в лабораторном гидроакустическом бассейне приемника, применяемого для измерений уровней подводного шума в натурных условиях. Введено понятие чувствительности приемника в 1/3-октавной полосе частот и предложен способ ее определения по подробной частотной характеристике приемника. Показано, как преодолеть сложности, обусловленные рассеянием от конструкции, окружающей гидрофон в приемнике, проявляющиеся в увеличении эффективного размера приемника и расстояния дальнего поля при его градуировке.
Ключевые слова: подводный шум, приемник, чувствительность, 1/3-октавная полоса частот, корреляция источников рассеяния, обобщенный критерий расстояния дальнего поля.
The calibration problems in the laboratory hydroacoustic water tank receiver used for measuring in natural conditions the levels of underwater sound noise were considered. A notion of receiver sensitivity in a fraction octave frequency band and a method of its determination by the detailed frequency characteristic were proposed. The approaches allowing overcome the difficulties caused by scattering from construction surrounding the receiver hydrophone and manifested in an increase of the receiver effective size and of far field distance at its calibration have been considered.
Key words: receiver, underwater noise, sensitivity, 1/3-octave frequency band, scattering sources correlation, generalized criterion of far-field distance.
В последние годы значительно вырос спрос на измерения подводного шума. Стремительно усилившееся влияние антропогенных факторов, вызванное активным освоением ресурсов на морском шельфе, увеличением судоходства большегрузных (сильно шумящих) торговых судов и т. п., обусловило растущий интерес к воздействию подводного шума на экологическое состояние прибрежных акваторий. В [1, 2] подводный звук, излучаемый судном, считается одним из основных источников загрязнения мирового океана, а его нормирование и измерение взято за основу разработки критериев для оценивания благоприятного экологического статуса морской среды.
Величины и процедуры для описания и измерений подводного шума судов в условиях морского полигона регулирует стандарт США [3]. Первые международные стандарты аналогичного назначения разрабатывают организации по стандартизации ISO ТК8 и ТК43. При испытаниях судов измеряют уровни звукового давления в 1/3-октавных полосах частот. Измерения выполняют гидрофоном, установленным на заданной глубине с помощью специальной конструкции — системы вывешивания (далее — носитель гидрофона) [3]. Чувствительность гидрофона необходимо определять с учетом влияния носителя, и она должна быть подходящей для измерений уровня звукового давления шума.
Высокие требования к точности измерений подводного шума (1,5 дБ по классу А [3]) исключают возможность экспертных оценок влияния носителя и заставляют выполнять градуировку не измерительного гидрофона, как это обычно принято, а всего приемника для измерения уровней подводного шума (далее — приемник УПШ) в том виде, в каком его применяют по назначению — гидрофон, установленный в носитель (далее — приемник в целом). При этом проблема градуировки приемника УПШ сегодня остается открытой и
требует обсуждения параметра, который можно использовать в качестве его чувствительности, разработки метода градуировки и стандартизации как соответствующих параметров, так и самого метода.
Проблемы градуировки приемника УПШ. Для измерений уровня воздушного шума в натурных условиях используют выносные микрофонные системы. Такие системы достаточно сложные, имеют также защиту микрофонов от ветра и птиц. Как правило, параметры выносной системы незначительно отличаются от характеристик встроенного в нее измерительного микрофона. По размерам приемник выносной микрофонной системы ненамного превосходит микрофон, что позволяет градуировать приемник в целом (в сборе) в обычной заглушенной камере методами, традиционно применяемыми для градуировки измерительного микрофона.
Из-за особых условий использования приемника невозможно создать приемник УПШ, характеристики которого мало отличались бы от характеристик измерительного гидрофона. Помимо вывешивания гидрофона носитель, как правило, выполняет функции контейнера периферийной аппаратуры, крепления, позиционирования и механической защиты. Для градуировки приемника УПШ принципиальное значение имеют большие (до 2 м) размеры и неудовлетворительная акустическая прозрачность носителя. Элементы конструкции, окружающей гидрофон, рассеивают падающую на носитель звуковую волну и искажают звуковое поле в точке приема (в месте расположения гидрофона). Следствием этого является высокая изрезанность и значительные (на высоких частотах до 10—15 дБ) отличия между характеристиками приемника УПШ и встраиваемого в него гидрофона.
В качестве примера на рис. 1 показаны частотные характеристики экспериментального образца приемника УПШ 1, приемника при снятом обтекателе 2, собственная частот-
ДБ
100
кГц
Рис. 1. Результаты градуировки гидрофона, установленного на носителе (кривая 1) и при снятом обтекателе (кривая 2); кривая 3 — собственная частотная характеристика гидрофона
ная характеристика гидрофона приемника 3. Носитель и обтекатель настолько сильно искажают звуковое поле в точке приема (до 20 дБ и выше), что даже при самом поверхностном рассмотрении представленных зависимостей становится очевидным — для такого приемника при измерениях шума в 1/3-октавных полосах использование значений чувствительности гидрофона на 1/3-октавных частотах противоречит здравому смыслу. В этой ситуации теряют актуальность как совершенствование гидрофона, так и повышение точности эталона для его градуировки. Градуировка гидрофона, установленного в носитель, также не улучшает ситуацию с измерением УПШ. Практическое использование для измерений шума в полосах частот значений чувствительности, полученных при градуировке на 1/3-октавных частотах приемника в
грешности измерений частотной характеристики приемника и уменьшения погрешности измерений УПШ необходимо, чтобы при градуировке приемника выполнялись, как минимум, два требования: градуировать гидрофон, установленный в носитель, и определять чувствительность приемника к тем сигналам, для измерений которых его будут использовать на полигоне.
Рассмотрим две основные проблемы, препятствующие решению этой задачи.
Проблема первая. Рассеяние звуковой волны в точке приема вызывает характерные осцилляции частотной характеристики. Частоту осцилляций определяет временная задержка рассеянной волны относительно прямой: чем дальше находится источник рассеяния от гидрофона, тем меньше период осцилляций, а их самих можно рассматривать как голограмму и использовать ее для определения пространственного распределения рассеивателей [4, 5].
На рис. 3 показаны фрагменты частотных характеристик, полученных при исследованиях экспериментальных конструкций приемника УПШ. Частотная зависимость 1 на рис. 3, а совершает менее двух осцилляций в пределах 1/3-октавной полосы частоты 40 кГц, что позволяет оценить удаленность источника рассеяния от точки приема примерно в 25 см. Период осцилляций зави-си мости 1 в 1/3-октавной полосе частоты 63 кГц на рис. 3, б указывает на присутствие источника рассеяния на расстоянии 15 см от гидрофона.
Во время приема гармонического сигнала
90
270
размер возрастает в десятки раз и зависит от габаритного размера всей подводной конструкции. Для гидрофона, установленного в носи-
Рис. 2. Характеристики направленности приемника с обтекателем: 1 — на гармоническом сигнале;
2 — на 1/3-октавных полосах частот
целом, нецелесообразно из-за размаха и частоты осцилляций зависимостей 1 и 2 (см. рис. 1), а также изрезанности характеристик направленности приемника, представленных зависимостями 1 на рис. 2, а, б.
При проектировании приемника УПШ разработчики надеются получить хорошие акустические свойства. К сожалению, на практике приходится работать с тем, что оказалось. Даже использование акустически прозрачных материалов не обеспечивает требуемой акустической прозрачности конструкции носителя [4]. Для повышения достоверности оценки по-
рассеяние в точке приема становится причиной того, что в присутствии источника рассеяния эффективный размер приемника определяет расстояние между его активным элементом и источником. Этот
тель типа торпеда, это может быть либо диаметр, либо длина торпеды. В такой ситуации эффективный размер приемника может достигать 1 м и более, а расстояние дальнего поля при градуировке приемника на высоких частотах будет составлять десятки или сотни метров. Такая градуировка невыполнима в лабораторном бассейне с применением общепризнанных методов измерений.
Проблема вторая. При измерениях подводного шума среднее квадратическое значение звукового давления р(Л!^п т) в 1/п-октавной полосе 1/3-октавной частоты с номером т вычисляют по результатам измерений выходного напряжения приемника и(Л^/п т) в той же полосе частот. Напряжение и(Л^/п т) в полосе частот ^ ± 1/2Л^/п т связано со спектральной плотностью мощности Gp(f) измеряемого звукового давления выражением
и (Л1/п, т ) =
Гт +1/2Л1/п, т
1/2
| М2(0 Gp(f) ^
Гт -1/2ЛЛ,/п
где М(/) — частотная характеристика чувствительности приемника.
При измерениях шума в частотных полосах, в которых неравномерность частотной характеристики приемника пренебрежимо мала по сравнению с погрешностью измерений, можно принять М(Г)~М(т и воспользоваться формулой
Р(^1/п. т) = иЩ,п. т)/М(и
(1)
где М^т) — чувствительность приемника на частоте
Если неравномерность частотной характеристики в пределах частотной полосы измерений существенна, приблизительное равенство М(/)=М^т) нарушается и использование М(т становится некорректным. В этой ситуации вынужденно применяют формулу (1), поскольку в настоящее время при градуировке гидроакустичес
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.