6.1. ВВЕДЕНИЕ

Акустические окна и обтекатели, экраны, отражатели, поглощающие покрытия и объемные поглотители звука нужны для обеспечения работоспособности подводных электроакустических преобразователей при их применениях и испытаниях. Методы и средства оценки таких вспомогательных материалов во многом сходны с методами, применяемыми при градуировках гидроакустических преобразователей. Поэтому мы включили в книгу главу об измерениях и оценках свойств таких материалов, хотя эти измерения носят скорее акустический, чем электроакустический характер.

Под словом «материал» здесь подразумеваются акустическое окно, отражатель, экран, поглощающее покрытие, материалы для объемных акустических поглотителей или любая их комбинация. Однако в большинстве измерений мы оцениваем не сам материал, а конструкцию или определенный образец, размеры, форма и способ крепления которого влияют на результат. . иногда этот образец представляет собой отдельное изделие, например обтекатель гидроакустической станции или окно преобразователя. В другом случае он является частью оборудования, например секцией конструкции поглощающего покрытия. Как мы увидим, из пяти перечисленных случаев только для объемных поглотителей результат не зависит от размеров и формы конкретного образца, но даже и тогда понятие «объемное поглощение» должно быть строго определено (разд. 6.5).

Окна, отражатели, экраны и поглощающие покрытия составляют полный набор материалов в смысле выполняемых ими функций. Идеальные образцы этих четырех материалов должны соответственно: 1) пропускать 100%, 2) отражать 100%, 3) передавать 0%, 4) отражать 0% падающего на них звука. Каждый из этих материалов можно оценивать, измеряя процентное отношение звука, прошедшего через материал и отраженного от него, когда конструкция погружена в воду. Эти две измеряемые характеристики назовем «звукоизоляцией» (insertion loss) и «снижением отражения» (echo reduction) и определим следующими соотношениями:

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

„ nn 1 падающее звуковое давление

Звукоизоляция=20 Ig-----=-

- ° проходящее звуковое давление

Снижение отражения=201д-

падающее звуковое давление

отраженное звуковое давление !

В обоих определениях предполагается, что распространяются плоские волны. По определению, обе величины выражаются положительным числом децибел.

В некоторых измерениях исходя из звукоизоляции и снижения отражения вычисляют «потери на поглощение», считая, что вся недостающая звуковая энергия поглотилась. Эту процедуру нельзя признать правильной, если материал не является поглотителем (например, в случаях окон, отражателей и экранов), так как на практике больше звуковой энергии может рассеиваться, дифрагировать или рефрагировать, чем поглощаться.

Измерение звукоизоляции и снижения отражения очень просто в теории, но на практике может быть очень сложным делом.

Измерения с целью оценки объемных поглощающих мате- риалов сложны и теоретически, и практически. Важными характеристиками объемного поглотителя являются коэффициент поглощения а и комплексное волновое число k, которые являются действительной и мнимой частями комплексной постоянной распространения у, где y=a,+}k. Эти термины рассматриваются в разд. 6.4.

Теория измерений для оценки акустических материалов-во многом аналогична теории оценки резисторов, конденсаторов, катушек и кабелей.

6.2. ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ • , .

Звукоизоляция есть выраженное в децибелах ослабление звукового давления, обусловленное помещением материала между излучателем и приемником звука, при отсутствии дифракционных и рефракционных эффектов. Звукоизоляция обусловлена совместным влиянием отражения звука от материала и поглощения звука в нем. Однако в любом окне и в большинстве экранов поглощение практически пренебрежимо мало.

Измерения бывают двух типов. На ранних стадиях разработки обтекателей, резиновых оболочек преобразователей, звуконепроницаемых кожухов и других деталей конструкции преобразователей наилучший материал обычно выбирается на основе измерений, проведенных на образцах в форме плоских листов. Образец выбирается достаточно большим, чтобы звукоизоляция не зависела от его поперечных размеров, хотя она и зависит от толщины. Это значит, что образец рассматривается как бесконечно длинный и широкий.

4/п2

где m - отношение волнового сопротивления рс материала к волновому сопротивлению воды {pwCw=l,5W Па-с/м), А -волновое число, х - толщина пластинки. На рис. 6.1 показаны кривые звукоизоляции для стали и пробки, построенные по уравнению (6.1) с использованием т = 26 и с=5000 м/с для стали и m = Vi2 и с=500 м/с для пробки. Уравнение (6.1) не меняется, если m заменить на 1/т. Физически это означает, что высокоимпедансный материал типа олова (т=12) должен давать такую же звукоизоляцию, как и низкоимпедансный материал, например пробка (m = Vi2), когда m для одного материала равно обратной величине (1/т) другого, а kx одинаково в обоих случаях.

Звукоизоляция обращается в нуль при kx=0, л, 2л, Зп и т. д. Таким образом, любой непоглощающий материал акустически прозрачен, когда его толщина близка к значению, кратному половине длины волны. Звукоизоляция равна нулю также тогда, когда имеется идеальное согласование импедансов, или когда т=1. Максимальная звукоизоляция соответствует

Во втором типе измерений материал выбирается по форме и размеру таким, каким он будет использоваться в конкретной конструкции. В обтекателе, например, материал должен обеспечивать обтекаемость формы с учетом структурной армировки, отверстий, фланцев и других деталей конструкции. При этом условия измерения звукоизоляции совпадают с условиями реального использования изделия. Например, измерения обтекателя . должны быть проведены при наличии внутри него реального гидролокаторного преобразователя. В этом случае звукоизоляция зависит от формы, размера и установки обтекателя, от типа преобразователя и дополнительного оборудования, включающего и устройство для крепления обтекателя к судну. В идеальном случае испытание должно проводиться на корпусе судна, но обычно это практически неудобно.

Результаты, полученные в измерениях первого типа на листовых образцах, поддаются теоретическому анализу и прогнозируются. Результаты измерений на конкретных конструкциях изделий обычно непредсказуемы.

6.2.1. Теоретическая звукоизоляция

Если плоская волна падает на пластинку постоянной толщины из однородного непоглощающего материала, по обе стороны которой находится вода, то теоретическую звукоизоляцию оценивают формулой

Звyкoизoляция=l01g [ Т- s\r?kx-\\ , (6.1)