Примером другого, более важного типа неоднородности служит «затененный» преобразователь. Здесь неоднородность вводится в однородный излучатель для формирования диаграммы направленности с основной целью снизить уровень боковых лепестков. Преобразователь обычно представляет собой плоскую решетку элементов, механически идентичных друг другу, чтобы, например, все элементы резонировали на одной частоте. Однако наружные, или периферические, элементы возбуждаются электрическим сигналом с более низким уровнем, чем внутренние элементы. Для формирования заданной диаграммы направленности наряду с изменением амплитуд применяется также изменение фазы и расстояния между отдельными элементами.

Соотношение (2.74) применимо к «затененной» линии, т. е. к линии, у которой амплитуда колебаний максимальна в центре и линейно спадает к нулю на концах. Из сравнения графиков выражений (2.73) и (2.74) на рис. 2.41- видно, что «затенение» приводит не только к существенному снижению уровня боковых лепестков, но и к уширению основного лепестка. К сожалению, эти два эффекта неразделимы.

Вопросу о контроле формы диаграммы направленности посвящена обширная литература [41-45]. Формирование диаграммы направленности широко используется в преобразователях гидролокаторов. При проведении измерений полезно знать, является ли преобразователь однородным или неоднородным излучателем. Это помогает не только обнаружить ошибки или неисправности оборудования, но и правильно выбрать условия измерений, в частности минимальное допустимое расстояние между излучателем и гидрофоном при градуировке.

2.11.3. Ширина лепестков и уровень боковых лепестков

Диаграммы направленности обычно характеризуются шириной основного лепестка и относительным уровнем наибольшего (обычно первого) бокового лепестка. Шириной основного лепестка называется угол между двумя направлениями по обе стороны основного лепестка, в которых звуковое давление имеет фиксированный уровень относительно звукового давления на оси. Стандартного фиксированного уровня не существует, поэтому обычно берут -3, -6 и -10 дБ. Используемый уровень и ширину основного лепестка следует указывать, например, так: «ширина основного лепестка по уровню -6 дБ». Следует помнить, что ширина лепестка равна полному углу между двумя направлениями - по одному с каждой стороны от оси. В тех случаях, когда диаграмма имеет ось симметрии, иногда указывают половину ширины основного лепестка. Половинная ширина равна углу между осью и направлением с определенным

уровнем давления. Ширина основного лепестка зависит как от формы излучателя (круглый поршень, сплошная линия, линия точечных источников и т. д.), так и от отношения х/Л размера излучателя к длине волны.

Рис. 2.43. Ширина лепестка (по уровню -6 дБ). 1 - однородная линия (и приближение для линейгой группы точечных источников); 2 -круглый поршень; S - диагональ квадратного поршня.

Ширина основных лепестков .Дб для трех диаграмм на рис. 2.43 выражается формулами:

Круглый поршень: Ае=2 arcsin (0,70Х/л;), Однородная линия: Ае=2 arcsin (0,60X/jc), Диагональ квадрата: Ae=2arcsin (0,88X/jc).

Выражение (2.75) приблизительно эквивалентно когда sine мал, а также когда мало d. Таким образом, вблизи оси диаграмма направленности линейной группы, состоящей из дискретных источников, практически совпадает с диаграммой непрерывной линии, для которой x=Nd. Формулу (2.77) можно использовать для линии дискретных точек, когда она хорошо аппроксимирует непрерывную линию (й<СЛ) или когда нужная область лежит вблизи оси (sine<Cl).

(2.76) (2.77) (2.78) (2.73),

Основную трудность при определении R и Di представляют измерения и вычисления, относящиеся к интегралу pdS.

S

2.12.1. Теория

Теоретическое значение Di для некоторых идеализированных излучателей вычислено Штенцелем [44] и Моллоем [47]. Величина Di для круглого поршня в бесконечном жестком экране равна

(*,-)2

A=loig

(2.82)

Уровень боковых лепестков у непрерывных излучателей- зависит от их формы, но не зависит от отношения размер/длина волны. Уровень боковых лепестков, показанный на рис. 2.41, применим ко всем излучателям с указанной конфигурацией, а показанный на рис. 2.42 относится только к линейной группе из 6 точечных излучателей. Краус [41] приводит подобные кривые для N, равного от 1 до 24.

2.12. КОЭФФИЦИЕНТ КОНЦЕНТРАЦИИ И ИНДЕКС НАПРАВЛЕННОСТИ

Коэффициент концентрации и индекс направленности являются мерой остроты звукового луча, или основного лепестка диаграммы направленности. Они выражйются через отношение интенсивности /о (или квадрата среднеквадратичного значения давления ро) в некотором опорно1м направлении - обычно в направлении оси - к интенсивности / (или квадрату среднеквадратичного значения давления р), усредненной по всем направлениям. Это отношение равно коэффициенту концентрации Re, а в логарифмической форме - индексу направленности Di, т. е.

R,=Ioj7=pllp, (2.79)

A=101g(/o/7) = 101g(/7M- (2.80)

Отметим, что р является средним значением квадрата давления, а не квадратом среднего давления.

Если Ро измерено на расстоянии г, то р равно интегралу квадрата давления по сферической поверхности S радиуса г, деленному на площадь S. Тогда

Я.-%-гЛ-- (2.81)