подвеска диафрагмы и чем лучше индицируется баланс моста (см. рис. 2.27), тем чувствительнее гидрофон. Один из первоначальных вариантов [32] гидрофона этого типа имел общую чувствительность системы -45 дБ относительно 1 В/(дин/см). Это примерно на 40 дБ выше, чем типичная чувствительность хорошего пьезоэлектрического гидрофона с катодным повторителем, и примерно на 20 дБ лучше чувствительности шумоизмерительного гидрофона, имеющего предусилитель с усилением 20 дБ.

К недостаткам системы относятся сложность, присущая ей нелинейность и ограниченный частотный диапазон измерений. Высокочастотный предел упомянутого варианта составлял всего 75 Гц.

В других разновидностях этого метода мост заменялся электронной схемой, в которой амплитуда или частота несущей чувствительны к малым изменениям емкости.

2.6.2. Электронный гидрофон

Некоторые предприятия выпускают электронные вакуумные лампы, у которых один из электродов (обычно анод) механически связан с наружным штырьком (например, RCA5734) [33].

Диафрагма Механ. связь

Рис. 2.29. Схема электронного гидрофона.

Через этот штырек электрод соединен с диафрагмой, воспринимающей звуковое давление р. При его вибрации осциллирует ij крутизна вольт-амперной характеристики лампы. (Такой гидрофон схематически показан на рис. 2.29.) Выходное напряжение е пропорционально смещению х механического звена, связывающего диафрагму с электродом. На частотах, лежащих ниже пер-

вого резонанса механической системы, смещение будет пропорционально звуковому давлению р. Общий для системы коэффициент преобразования, выражаемый отношением е/р, можно измерить в статическом режиме.

Подобно конденсаторному гидрофону, электронный гидрофон можно сделать весьма чувствительным, но он имеет очень ограниченный частотный диапазон [34]. Кроме того, у него высок уровень собственных шумов.

2.6.3. Методы переменной глубины

Если глубина погружения гидрофона периодически изменяется по гармоническому закону, то переменное гидростатическое давление неотличимо от звукового давления очень низкой частоты. Если X - амплитуда вертикальных колебаний, то переменное давление определяется формулой

P=xpg, (2.53)

где р - плотность воды, g- - ускорение силы тяжести. Если выходное напряжение гидрофона при этом равно вое, то его чувствительность М равна

M=ejxpg. (2.54)

Амплитуды бос и X можно выражать в любой стандартной, форме: как среднеквадратичные, пиковые или полный размах, но нужно использовать одну и ту же форму и для вое и для х.

Глубину можно менять, смещая гидрофон или изменяя уровень воды. Использовались оба способа. В варианте с движением гидрофона вибростенд состоит из электродвигателя переменной скорости и «шотландского ярма» или другого механического звена для преобразования вращательного движения в колебательное смещение. На рис. 2.30 показано «шотландское ярмо», использованное в Лаборатории ВМС [35]. Штифт, который имеется на вращающемся диске, скользит в прорези ярма. Ярмо и поддерживающий стержень могут двигаться только Б вертикальном направлении. Поэтому при вращении диска ярмо и стержень движутся вверх и вниз синусоидально. Пиковая амплитуда х равна эксцентриситету штифта.

В системе имеется несколько источников динамического давления кроме переменного столба воды. Среди них отметим:

1) гидродинамическое ламинарное течение вокруг гидрофона,

2) инерционные эффекты в среде, 3) инерционные эффекты в конструкции гидрофона, 4) турбулентность. Гидродинамические эффекты зависят от формы гидрофона, и трудно установить общую зависимость между его формой и величиной эффекта. Для простых цилиндрических форм гидродинамические давления

связаны с основной частотой, и, следовательно, их можно устранить с помощью фильтров.

Инерционные эффекты среды можно устранить или свести к минимуму выбором подходящей ориентации гидрофона. Например, диафрагма или активная поверхность гидрофона должны располагаться в вертикальной плоскости, так чтобы слой, соседний с диафрагмой, не возмущался движением гидрофона. Инерционные эффекты в конструкции гидрофона также

Осциллограф

ВазЗуу

Вода

!т

-Гидросрон

Рис. 2.30. Установка для градуировки гиДрофонов путем их вертикальных колебаний в воде. 1 - вращаемый мотором диск, 2 -штифт на диске,

3 - ярмо, 4 - прорезь.

можно уменьшить выбором его ориентации. Однако оптимальная ориентация для этих двух эффектов может быть различной. В маслозаполценных гидрофонах инерционные эффекты всегда будут присутствовать и их нельзя устранить. Турбулентность является наиболее непредсказуемым из внешних источников динамического давления. Все элементы креплений в воде должны иметь по возможности обтекаемую форму. Если используются малые камеры, то движение гидрофона может возбудить паразитный низкочастотный резонанс. Такой резонанс в цилиндре емкостью 208 л, используемом в Лаборатории ВМС, наблюдался на частоте 1,8 Гц, но не оказывал существенного влияния на градуировку.

Все эти источники ошибок сильно ограничивают верхнюю предельную рабочую частоту. Нижнего предела по частоте нет. Установка Лаборатории ВМС обеспечивала точную градуировку в диапазоне 0,3-4 Гц. В пределах частотного диапазона, где посторонними источниками давления можно пренебречь, эта установка является простой и надежной.