Файл: Нечаев П.А. Электронавигационные приборы учебник.pdf

Исследования показывают, что поглощающая способность среды зависит от ее физических свойств и увеличивается пропорционально квадрату частоты колебания.

Отсюда следует вывод, что затухание звука и ультразвука в одной и той же среде различно: ультразвук затухает быстрее, нежели звук.

Следовательно, дальность действия ультразвукового вибратора мень­ ше дальности действия звукового вибратора одинаковой с ним мощ­ ности.

Числовые подсчеты показывают, что при излучении в воду колеба­ ний с частотой 1 кГц уменьшение силы звука вследствие поглощения еще трудно заметить: сила звука уменьшится, например, в 3 раза на расстоянии в несколько тысяч километров. На частоте же 100 кГц такое же ослабление силы ультразвука будет иметь место на расстоя­ нии 3 км. Следует добавить, что в действительности (как показали опы­ ты) затухание происходит быстрее, чем показывают теоретические рас­ четы.

Это происходит вследствие:

а) неоднородности водной среды — наличия в ней пузырьков воз­ духа, планктона и т. п., что вызывает рассеивание энергии;

б) разной температуры в отдельных слоях воды, что является при­ чиной рефракции, т. е. отклонения акустического луча.

Из приведенных числовых данных следует, что при конструирова­ нии навигационных эхолотов, где диапазон-измеряемых глубин на­ ходится обычно в пределах 1000 м, выбор рабочей частоты эхолота ни в какой мере нельзя связывать с дальностью действия вибратора, т. е. с вопросом поглощения акустической энергии в водной среде.

Пространственное распределение акустической энергии, излучаемой вибратором.

Направленное действие ультразвуковых вибраторов

Вибраторы, работающие на звуковых частотах, излучают акусти­ ческую энергию во всех направлениях с одинаковой интенсивностью; вибраторы же, работающие на ультразвуке, концентрируют излучае­ мую ими энергию в направлении излучения. Рассмотрим причины этого явления.

Направленное действие вибраторов объясняется явлением и н- т е р ф е р е н ц и и , под которым понимают сложение (наложение) колебаний одинаковой частоты, но различных в общем случае ампли­ туд и фаз. Если в некоторую точку приходят одновременно несколько упругих колебаний одинаковой частоты, то результирующее колеба­ ние в этой точке будет иметь ту же частоту, что и составляющие, а ам­ плитуда и фаза результирующего колебания будут зависеть от ампли­ туд и фаз составляющих колебаний. В связи с этим интерференция акустических колебаний в зависимости от фазовых соотношений при­ водит к их усилению или ослаблению.

В эхолотах обычно применяются вибраторы п о р ш н е в о г о т и п а, т. е. такие, все точки излучающей поверхности которых совер-

324

шают синфазные колебания одинаковой амплитуды. Предположим, что такой вибратор расположен так, что его излучающая поверхность перпендикулярна плоскости чертежа (рис. 173). Размер вибратора d — диаметр круглого вибратора или одна из сторон прямоугольного вибратора. Двусторонней стрелкой показано направление колебания излучающей поверхности. Так как в эхолотах используются виб­ раторы одностороннего действия, то нас будет интересовать распре­ деление энергии по одну сторону от излучателя (например, вправо). Рассмотрим акустическое поле такого излучателя. Под акустическим полем подразумеваем пространство, где обнаруживается действие рас­

что каждая такая точка вибратора будет посылать колебания в окружающее вибратор пространство по всем направлениям.

Рассмотрим акустическое поле вибратора в точках, достаточно удаленных от излучающей поверхности. Тогда лучи, идущие в любую точку приема от различных участков (точек) излучающей поверхности, можно считать параллельными. Для этого нужно, чтобы рассматри­ ваемая точка акустического поля находилась от излучающей поверх­ ности на расстоянии г > d'.

Если рассматриваемая точка 1 лежит на перпендикуляре к цен­ тру излучающей поверхности, то согласно принятому условию, длины параллельных акустических лучей, идущих от различных точек излу­ чающей поверхности в данную точку 1, будут одинаковыми. Под аку­ стическим лучом будем понимать линию, условно показывающую на­ правление распространения акустического колебания. Учитывая, что вибратор колеблется как поршень, т. е. все точки его излучающей по­ верхности совершают синфазные колебания, можем сделать вывод:

вточку /, как и во все точки, лежащие на оси излучения, колеба­ ния от различных точек излучающей проверхности будут приходить

водной и той же фазе. В результате сложения колебаний, совпадаю­ щих по фазе, амплитуда результирующего колебания будет наиболь­ шей. Следовательно, в точках, лежащих на оси излучения, будет мак­ симум акустического давления, а значит, и максимум силы звука.

Рассмотрим теперь точку 2, лежащую не на перпендикуляре к из­ лучающей поверхности, а под некоторым к нему углом а. В этом слу­ чае длины акустических лучей, идущих из различных точек излучаю­ щей поверхности в данную точку 2, будут различны. Например, между

325

лучами, идущими от верхней и нижней точек вибратора, будет разни­

Итак, разность хода акустических лучей обусловливается, в пер­ вую очередь, конечными размерами вибратора. Она зависит также от угла а отклонения лучей от нормали к излучающей поверхности. Раз­ ность хода акустических лучей является причиной возникновения сдви­ га по фазе между колебаниями, приходящими в точку 2 от различных точек излучающей поверхности. Интерференция же колебаний, раз­ личных по фазе, не дает уже арифметическую сумму их амплитуд. Суммировать их придется алгебраически, т. е. с учетом присущего им знака. Поэтому амплитуда результирующего колебания в точке 2 бу­ дет меньше, нежели в точках, лежащих на оси излучения.

Чтобы получить интерференционную картину, возникающую в том или ином направлении за счет конечных размеров вибратора, рас­ смотрим раздельно два случая работы вибратора.

Работа вибратора на звуковых частотах. В этом случае будет спра­ ведливо соотношение d Я, т. е. длина Я излучаемой вибратором вол­ ны значительно больше размеров вибратора. Справедливость этого соотношения легко проверить на конкретном численном примере. Меж­ дународная стандартная частота звуковых гидроакустических уста­ новок равна 1050 Гц. При излучении в воду этой частоте соответствует длина излучаемой волны около 1,5 м. Вибратор эхолота имеет размер излучающей поверхности 10—20 см. Таким образом, на практике дей­ ствительно имеет место соотношение Я > d.

Разность хода акустических лучей при изменении угла а от 0 до 90° изменяется в пределах 0 ^ х ^ d\ следовательно, на звуковых часто­ тах, безусловно, будет справедливо соотношение Я » х.

Как указывалось выше, разность хода акустических лучей является причиной для возникновения сдвига по фазе между колебаниями. Действительно, в физике дается следующее выражение для сдвига по фазе:

ф==2я т *

Из этого выражения следует, что сдвиг по фазе между колебаниями зависит от соотношения между разностью хода акустических лучей и длиной излучаемой волны. В рассматриваемом случае разность хода акустических лучей значительно меньше длины волны, а следователь­ но, создаваемый разностью хода лучей сдвиг по фазе практически мал. Интерференция же колебаний с малым сдвигом фазы почти не сни­ жает амплитуды результирующего колебания (по сравнению со слу­ чаем, когда а = 0).

Таким образом, вибратор, работающий на звуковых частотах, из­ лучает энергию равномерно (или почти равномерно) во все окружа-

326

ющее вибратор пространство. А это означает, что вибратор, работа­ ющий на звуковых частотах, не обладает направленным действием.

Работа вибратора на ультразвуковых частотах. Увеличение рабо­ чей частоты вибратора имеет следствием уменьшение излучаемой им длины волны. Уже для самых низких ультразвуковых частот имеет место соотношение d Я, которое по мере увеличения частоты перехо­ дит в соотношение d > Я. Дей­

ствительно, уже на частоте в 15 кГц длина излучаемой в воду волны будет равна 10 см.

Итак, при работе на уль­ тразвуковых частотах разме­ ры вибратора соизмеримы с длиной излучаемой волны; разность хода акустических лучей будет также соизмери­ ма с длиной волны. При этом по мере отклонения от нор­ мали к вибратору (по мере увеличения угла а) отноше-

Таким образом, у вибратора, работающего на ультразвуковых ча­ стотах, появляется различная излучательная способность в разных направлениях. Иначе говоря, ультразвуковой вибратор обладает на­ правленным действием. Такой вибратор получает способность концен­ трировать излучаемую им энергию в направлении нормали к его излу­ чающей поверхности.

Сказанное позволяет сделать вывод, что направленное действие ви­ братора зависит от соотношения между длиной излучаемой волны и

размерами вибратора. Поэтому отношение ^ можно рассматривать как

критерий для оценки направленных свойств вибратора.

Эффект направленного действия вибратора иллюстрируется х а - р а к т е р и с т и к о й н а п р а в л е н н о с т и , представляющей полярную диаграмму изменения результирующей амплитуды колеба­ ния (давления или силы звука) в зависимости от направления.

На рис. 174 представлены характеристики направленности вибра­

торов для различных отношений ~. Из приведенных характеристик

327

видно, что направленные свойства вибратора тем больше, чем меньше

чивать размеры вибратора. При повышении направленности вибрато­ ров, кроме основного максимума, появляются еще так называемые добавочные или боковые максимумы характеристики направленности. Их число и интенсивность зависят от соотношения между длиной излу­ чаемой волны и размерами вибратора.

Рассмотрение вопроса о направленном действии показывает, что: 1) свойства направленности вибраторов целиком определяются от­

ношением длины волны к размерам вибратора; 2) острота направленного действия характеризуется углом а, в

пределах которого данная физическая величина (акустическое давле­ ние или сила звука) изменяется от максимального значения до нуля

(рис. 174, в).

Угол а называется у г л о м р а с т в о р а г л а в н о г о м а к ­ с и м у м а . Величина угла а может быть получена по следующим фор­ мулам:

для круглого вибратора

sin а = 1,2 — , d

где d — диаметр излучающей поверхности; для квадратной излучающей поверхности

sin a = — . d

где d — сторона квадрата.

Ниже приводятся значения угла а раствора главного максимума для различных частот в случае, если излучатель имеет круглую излу­ чающую поверхность радиусом 15 см:

Выпускаемые отечественной промышленностью вибраторы нави­ гационных эхолотов имеют обычно излучающую поверхность квадрат­ ной формы со стороной, равной примерно 10 см. При работе на частоте около 20 кГц такой вибратор имеет угол а раствора главного макси­ мума около 45°.

Встречаются вибраторы, у которых излучающая поверхность имеет прямоугольную форму. Так, например, вибратор-излучатель оте­ чественного эхолота НЭЛ-5 имеет форму прямоугольника со сторона­ ми 8,5 X 17 см. В этом случае углы раствора характеристики направ­ ленности в продольном и поперечном направлениях будут различными, что и следует учитывать при установке вибраторов на судне.

328