Физическая сущность звука. Классификация звуковых волн. Параметры звукового поля, страница 3

Выбирая определенным образом размеры гидроакустической антенны и частоту можно построить оптимальный виброизлучатель.

Направленное излучение звука

Ранее было отмечено, что в вязкой жидкости происходит поглащение звуковой энергии. В действительности, ЗЭ распространяется не только в направлении оси Х, а в виде некоторого конуса, где γн – это угол направленного излучения.

Побочные лепестки диаграммы направленности практического значения не имеют, поэтому основной лепесток, который характеризуется углом γн считается главным лепестком направленности.

Так как с увеличением расстояния х площадь S, через которую проходит звуковая энергия, увеличивается, то с расстоянием происходит рассеивание энергии по площади, и следовательно, с увеличением х уменьшается интенсивность звука. Такое уменьшение интенсивности будет наблюдаться даже в идеальной среде, т.к. происходит рассеивание звука.

Можно доказать, что фактор уменьшения энергии за счет рассеивания зависит от частоты звука: чет меньше f, тем больше фактор рассеивания.

Произведем вывод формулы для направленности звука/

b – размер излучателя.

Выберем некоторое направление  под углом γ и точку М;

dy – элемент излучателя

Каждый элемент излучателя dy в (·)М на расстоянии r = (ro+Δr)создает звуковое давление

Po – амплитуда звукового давления от каждого элемента.

Задача состоит в том, чтобы рассмотреть в точке М звуковое давление Р. Координаты точки М(r, γ) –полярные координаты.

Анализ формулы

Формула определяет амплитуду звукового давления в точках в направлении луча под углом γ.

Pm=Pob - это амплитуда звукового давления в непосредственной близости от источника.

Po – амплитуда звукового давления вблизи элемента источника.

Анализируем распределение звукового давления в зависимости от выбранного угла γ

Назначим γ=0:

Неопределенность вида 0/0 разрешается по правилу Лапиталяпутем взятия производных от числителя и знаменателя дроби.

Множитель

называется фактором направленности.

Таким образом, P=Pmмаксимальное значение.

Находим направления γокотороедает фактор направленности Fj=0, иначе говоря определяем границу раструба, в котором наблюдается звуковая энергия.

При Fj = 0

Эта формула позволяет рассчитать значение угла γо1, т.е. определяет ширину звукового конуса, в котором имеется звуковая энергия.

Очевидно, существует несколько полос звука в зависимости от n.

Можно представить векторную диаграмму направленности звуковой энергии в виде лепестков, причем 1-й – самый широкий и вмещает около 90% звуковой энергии.

Лепестковая векторная диаграмма направленности позволяет определить фактор направленности по произвольному направлению.

Формула (***) показывает, каким образом можно регулировать ширину основного лепестка.

Чем уже лепесток (меньше γ01), тем острее направленность  и тем дальше будет распространяться звуковая энергия. Для увеличения дальности действия прибора необходимо работать с узкой ДН.

За счет увеличения размера базы bизлучателя можно уменьшить величину угла γ01 и делать направленность ДН более острой.

Более высокая частота f дает более острую направленность, следовательно, и уменьшение угла γ01, однако при увеличении частоты f возрастает коэффициент поглощения.

5. Побочные лепестки диаграммы, как правило, в расчет не принимаются и только основной лепесток характеризует направленность.

Выбор оптимальной частоты f для гидроакустического прибора

Рассмотрим две полученные формулы:

                          (6.1)

Формула  6.1 показывает, что с увеличением f дальность распространения ЗЭ уменьшается и наоборот, чем меньше частота, тем дальность распространения ЗЭувеличивается.

Из формулы 6.2. видно, что увеличение частоты влечёт за собой уменьшение угла γ, тем больше концентрация энергии в луче, тем дальность распространения ЗЭбольше.

Таким образом, имеет место два противоположных утверждения. Их совместный анализ показывает, что вначале с увеличением f угол γ уменьшается, энергия концентрируется в более узком луче (конусе) и это приводит к увеличению дальности распространения ЗЭ. При дальнейшем увеличенииf более сильно начинается сказываться поглощение ЗЭ водной средой, при этом дальность распространения ЗЭ резко уменьшается.

S2
х
S1
Источник звука
 


Для каждого гидроакустического прибора выбирается оптимальная частота.