Направленность акустических излучателей и приёмников - нек-рая пространственная избирательность излучателей и приёмников,
т. е. способность излучать (принимать) звуковые волны в одних направлениях в
большей степени, чем в других. В режиме излучения H. обусловливается интерференцией
звуковых колебаний, приходящих в данную точку среды от отд. участков излучателя
(в случае многоэлементной акустич. антенны - от отд. элементов антенны). В режиме
приёма H. вызывается интерференцией давлений на поверхности приёмника, а в случае
приёмной акустич. антенны - также и интерференцией развиваемых приёмными элементами
электрич. напряжений при падении звука из нек-рой точки пространства. В нек-рых
случаях, напр. у рефлекторных, рупорных и линзовых антенн, в создании H. кроме
интерференции существ. роль играет и дифракция волн. Аналогичные физ. явления
вызывают H. эл--магн. излучателей и приёмников (H. эл--магн. антенн), поэтому
в теории направленности акустич. и эл--магн. антенн много сходных понятий, определений
и теорем. В зависимости от матем. модели, к-рой можно описать данный излучатель
(см. Излучение звука ),для расчёта его H. пользуются разл. теоретич.
методами. В случае наиб. простой модели, представляющей собой дискретную (или
непрерывную) совокупность малых по сравнению с длиной волны l излучающих
элементов, поле излучателя определяется суммированием (или интегрированием)
сферич. волн, создаваемых отд. элементами. Для плоских излучателей, заключённых
в бесконечные плоские экраны, применяется принцип Гюйгенса. Поле сложных цилиндрич.
или сферич. излучателей определяется с помощью метода собств. функций. Наиб. общие
теоретич. методы основаны на использовании функций Грина.
H. излучателей и приёмников звука описывают чаще
всего двумя параметрами: характеристикой
направленности и коэф. концентрации (наз. также коэф. направленного действия).
Характеристикой H. излучателя называется представленное в функции направления
относит. значение звукового давления р, создаваемого им на фиксиров.
расстоянии r в дальнем поле (т. е. при r >> 2d2/l,
где d - наиб. размер излучающей поверхности). Направление задаётся единичным
радиусом-вектором и (или углами f, q); значение
звукового давления относят, как правило, к давлению в направлении макс. излучения
u0(j0,
q0)-
T. о., характеристика H. излучателя выражается как
Характеристикой H. приёмника наз. его относит.
чувствительность g (см. Приёмники звука), выраженную в функции направления
прихода звуковой волны. Чувствительность относят обычно к её значению в направлении
макс. приёма, так что характеристика H. по приёму имеет вид
Для обратимых преобразователей (антенн) характеристики
H. при работе в режиме излучения и в режиме приёма совпадают:
Наиб. практич. интерес представляет модуль характеристики
H. |D(u)| = R(u), наз. также амплитудной
характеристикой H.
Характеристику H. в сечении нек-рой плоскостью,
проходящей через направление макс. излучения (диаграмму H.), представляют в
полярной (рис., а)или в декартовой (рис., б)системах координат.
Типичный вид характеристики направленности: a - в полярной системе координат (OA - направление главного максимума, a0,707 - угловая ширина главного максимума на уровне 0,707, a0 - угловая ширина главного максимума по первым нулям характеристики направленности); б - в декартовой системе координат.
В этом случае аргументом характеристики H. обычно
является угол, отсчитываемый от направления макс. излучения, и характеристика
H. представляется в виде функции R(a). Различают след. осн. области и параметры характеристики H.: главный (основной)
и добавочный максимумы (лепестки диаграммы H.); ширина гл. максимума по уровню
0,7; ширина по направлениям нулевого излучения; величина добавочных максимумов
(по отношению к главному).
Коэф. концентрации К - мера концентрации
излучаемой мощности в нек-ром направлении пространства (обычно в направлении
u0). Определяется он отношением интенсивности звука,
создаваемой рассматриваемым излучателем в направлении u0
на расстоянии r > 2d2/l,
к интенсивности, создаваемой в той же точке гипотетич.
ненаправленным излучателем с такой же излучаемой мощностью. Ф-лы для расчёта
коэф. концентрации имеют вид
где W - полный телесный угол, rс
- волновое сопротивление среды, W - мощность излучателя.
В режиме приёма коэф. К характеризует
помехоустойчивость приёмника в поле изотропных помех, источники к-рых независимы;
он равен отношению мощностей помех на выходе ненаправленного и рассматриваемого
направленного приёмников в указанном поле при условии равенства их чувствительностей.
В первом приближении чем больше волновые размеры
излучателя (отношение геом. размеров к длине волны), тем меньше ширина его характеристики
H. и тем больше К. При размерах активной поверхности, больших l,
для плоского поршня K= 4pS/l
(где S- площадь поршня), а для антенны в виде отрезка прямой К =
2l/l (l - длина отрезка).
В табл. приведены функции, описывающие характеристики H. нек-рых простейших непрерывных излучателей и дискретной эквидистантной решётки, состоящей из ненаправленных излучателей (монополей). Символами a0,7 и a0 обозначены углы, равные ширине характеристики H. на уровне 0,7 и на нулевом уровне соответственно, а также приведены приближённые ф-лы, определяющие эти величины; s1 - уровень первого добавочного максимума характеристики H.; z - обобщённый параметр, равный (pd/l)sina. Угол a отсчитывается от перпендикуляра к плоскости излучателя, символами J0(z)и J1(z)обозначены функции Бесселя первого рода, нулевого и первого порядков. Как правило, характеристики H. непрерывных антенн, излучающих одной стороной, т. е. имеющих тыльный акустич. экран, обладают одним максимумом, равным единице,- главным. Особенностью характеристик H. эквидистантной линейной решётки, состоящей из монополей, является наличие (при периоде решётки d, большем l) неск. максимумов, равных единице. H. рефлекторных и линзовых антенн в первом приближении совпадает с H. плоской антенны, размеры к-рой равны размерам поперечного пучка в раскрыве рефлектора или линзы.
ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ НАПРАВЛЕННОСТЬ ПРОСТЕЙШИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ЗВУКА
Во мн. случаях анализ H. сложных излучателей
и приёмников существенно упрощается при использовании теорем о H.: умножения,
смещения и сложения. Так, в соответствии с теоремой умножения характеристика
H. антенны, состоящей из одинаковых, ориентированных в пространстве элементов,
равна произведению характеристик H. одного элемента и гипотетич. антенны, состоящей
из монополей, расположенных в центрах реальных элементов.
H. излучателей зависит от амплитудно-фазового
распределения колебат. скорости их активной поверхности. Так, напр., уменьшение
амплитуды колебат. скорости от центра к краям плоского излучателя приводит к
расширению осн. максимума характеристики H. и уменьшению добавочных, а увеличение
амплитуды от центра к краям - к уменьшению ширины осн. максимума и увеличению
добавочных. Коэф. концентрации при введении неравномерного амплитудного распределения
несколько уменьшается. Среди разл. фазовых распределений следует отметить распределение,
обеспечивающее синфазное сложение давлений от отд. участков излучателя в нек-ром
направлении пространства u0, т. е. "компенсацию"
антенны в этом направлении. В случае плоской или линейной антенны в виде отрезка
прямой распределение, обеспечивающее т. н. компенсацию, является линейным. Введение
фазовой задержки сигнала возбуждения элемента линейной антенны с координатой
x на величину (2p/l)xsina1
приводит к повороту гл. максимума характеристики H. на угол a.
Меняя величину задержки, можно обеспечить сканирование характеристики H. внутри
нек-рого угла в пространстве.
Существуют методы решения обратных задач теории
антенн (синтеза антенн), позволяющие определить амплитудно-фазовое распределение,
обеспечивающее формирование характеристики H., приближающейся в какой-то мере
к заданной, или достижение экстремального значения к--л. параметра (напр., максимума
коэф. концентрации). В нек-рых случаях решение обратной задачи приводит к острым
характеристикам H. и высоким значениям коэф. концентрации при относительно малых
волновых размерах антенны; получаемые таким путём т. н. сверхнаправленные антенны
обладают по-выш. чувствительностью к случайным ошибкам амплитудно-фазового распределения,
а потому практически не реализуемы. Примером умеренно сверхнаправленных антенн,
реализуемых практически, являются диполь, а также т. н. кардиоидный приёмник,
H. к-рого имеет вид 0,5(1 + cosa).
В твёрдой среде кроме продольных (существующих
в газах и жидкостях) возникают и поперечные волны. При этом различают характеристики
H. по продольным и поперечным волнам.
H. акустич. излучателей и приёмников играет значит. роль в гидролокации, УЗ-дефектоскопии, медицинской ультразвуковой диагностике.
M. Д. Смарышев
|
|
 |
