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

Направленное действие вибраторов было рассмотрено нами на при­ мере вибратора-излучателя. Таким же направленным действием будут обладать и вибраторы-приемники. Их направленное действие сведется к тому, что они будут обладать различной чувствительностью к акусти­ ческим колебаниям, приходящим из различных точек, не лежащих на перпендикуляре к центру принимающей поверхности.

§ 68. ОСОБЕННОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ЭХОЛОТОВ. ВЫБОР РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ

Теперь рассмотрим, какие практические преимущества вытекают из применения ультразвука при измерении глубин и какие частоты следует считать в этом случае наиболее целесообразными (рис. 175).

1. При работе на звуковых частотах вследствие ненаправленного действия вибраторов излучение будет одинаковым во всем окружаю­ щем вибратор пространстве (рис. 175, а). В этом случае, при неровном грунте, эхолот измерит не глубину Л/С под судном, а кратчайшее рас­ стояние Л/Ci до дна. Эхолот будет давать «ложные» эхо. Кроме того,

вэтом случае к вибратору-приемнику может приходить не один сигнал,

аряд последовательных сигналов от различных мест, расположенных на различных расстояниях от судна.

Применение ультразвуковых вибраторов позволяет концентриро­ вать излучаемую энергию в направлении дна (рис. 175, б), т. е. изме­ рять глубину непосредственно под судном. Возможность получения ложных глубин в этом случае практически Исключается.

2. Ненаправленное действие вибраторов, работающих на звуко­ вых частотах, приводит к тому, что значительная часть излучаемой энергии может попасть непосредственно на вибратор-приемник. След­ ствием этого является то, что работа излучателя будет мешать работе приемника.

Работа на ультразвуковых частотах уменьшает возможность та­ кого явления. Тем самым применение ультразвука для измерения глу­

329

бин позволяет значительно уменьшить базу, что, в свою очередь, по­ вышает точность измерения малых глубин.

3.Ненаправленное излучение дает очень низкое использование излучаемой вибратором мощности. Действительно, вибратор излучает энергию равномерно по всем направлениям в окружающее его прост­ ранство; при этом только незначительная часть излучаемой им энергии направляется под судно, т. е. используется для измерения глубины.

Направленный ультразвуковой вибратор концентрирует излучае­ мую им энергию в одном направлении, что позволяет применять ультразвуковые вибраторы меньшей мощности, нежели звуковые.

4.Направленное действие ультразвукового вибратора-приемника препятствует попаданию в последний посторонних акустических по­ мех. Следствием этого является меньшая чувствительность эхолота в целом к акустическим помехам.

Применение ультразвуковой частоты имеет еще и то преимущество, что естественный шум моря в этом случае меньше отражается на работе эхолота.

5.В случае излучения акустических колебаний звуковой частоты работа эхолота слышна. Это дает возможность обнаруживать и пелен­ говать судно, на котором работает звуковой эхолот.

Применение ультразвуковых (неслышимых) частот затрудняет про­

слушивание работающего эхолота, давая тем самым возможность про­ изводить промер скрытно.

Таким образом, применение ультразвука при измерении глубин позволяет:

1)повысить точность фиксирования точки промера при измерении глубин эхолотом;

2)более эффективно использовать излучаемую вибратором мощ­

ность;

3)уменьшить базу и тем самым повысить точность измерения ма­ лых глубин;

4)снизить чувствительность эхолота к посторонним акустическим помехам;

5)сделать работу эхолота неслышимой.

Все перечисленные положения указывают на несомненные практи­ ческие преимущества, вытекающие из применения ультразвука для измерения глубин.

Естественно, возникает вопрос: на каких именно ультразвуковых частотах целесообразнее производить измерение глубин? Ведь под ультразвуком в настоящее время понимают упругие колебания, лежа­ щие за пределами слышимости человеческого уха и имеющие частоту от 16 000 до миллиарда Герц.

Покажем, что применение при измерении глубин слишком высоких ультразвуковых частот, а следовательно, и сильно направленных виб­ раторов нерационально. Для этого остановимся на отрицательном влиянии большой направленности вибраторов на качество работы

330

от х а р а к т е р и с т и к и н а п р а в л е н н о с т и его в и б р а ­ т о р о в . Предположим, что на судне установлены направленные виб­ раторы (рис. 176); угол раствора характеристики направленности равен а. Из рисунка следует, что в случае установки направленных ви­ браторов с некоторой базой L эхолот не сможет измерить любую малую глубину. Действительно, для того чтобы акустическая энергия, излу­ ченная вибратором А, могла после отражения от дна попасть в вибра­ тор-приемник В, отражение должно произойти на глубине Н ^ Hmin. Глубины, меньшие Нт1п, в данном случае не могут быть измерены эхо­ лотом: ультразвуковая энергия, отраженная от глубин, меньших Яга1п, как видно из рисунка, не по­ падет на принимающую поверх­ ность вибратора-приемника.

Найдем выражение для Дга1п. Из треугольникауЛО/С имеем:

шей базой и увеличивать угол а, т. е. использовать менее направ­ ленные вибраторы. Последнее требование приводит к необходимости уменьшать те ультразвуковые частоты, которые применяются при измерении больших глубин.

Для эхолотов типа НЭЛ, работающих на частоте около 20 кГц и имеющих а = 45°, наименьшая глубина, которая может быть изме­

с н и ж а е т у с т о й ч и в о с т ь р а б о т ы э х о л о т а н а к а ч- к е. Знания принципа акустического измерения глубин достаточно для того, чтобы отчетливо представить себе действие бортовой и киле­ вой качки на показания эхолота. Действительно, влияние качки све<

пуски, эхолот будет работать неустойчиво. Следовательно, для обес­ печения большей устойчивости работы эхолота на качке, а также для увеличения разрешающей способности эхолота (уменьшения ве­ личины той минимальной глубины, которая может быть измерена эхолотом) нецелесообразно добиваться очень острой направленности вибраторов. Вот почему в навигационных эхолотах высокие ультра­ звуковые частоты не применяют.

331

Итак, выбор рабочей частоты эхолота представляет вопрос до­ статочно сложный, требующий учета целого ряда различных, иной раз противоречивых факторов.

Отсюда следует, что рабочая частота эхолота должна выбираться исходя из конкретных условий работы прибора и его технических данных.

Обычно в навигационных эхолотах, измеряющих глубины 500— 1000 м, рабочая ультразвуковая частота бывает 15—30 кГц.

§ 69. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА УЛЬТРАЗВУКА

Рассмотрим способы получения и приема ультразвуковых коле­ баний и какие из них целесообразно применять в навигационных эхо­ лотах.

Магнитострикционный эффект 1*

Многие ферромагнитные материалы (железо, никель, кобальт и их сплавы) обладают следующим свойством: если стержень из та­ кого материала намагнитить так, чтобы магнитные силовые линии бы­

ала при его намагничивании называется п р я м ы м м а г н и т о с т -

стрикционного эффекта является то, что знак деформации (сжатие или растяжение) не зависит от направления поля, намагничивающего материал, а целиком определяется физическими и химическими свой­ ствами материала, способом его обработки и температурой. Вели­ чина деформации ферромагнитного материала, возникающей вслед­ ствие его намагничивания, зависит от величины (напряженности) магнитного поля, намагничивающего материал. Деформации эти срав­ нительно малы. Относительное изменение длины имеет величину по­ рядка 10~6; иначе говоря, длина стержня увеличивается или умень­ шается на величину одной миллионной.

Для оценки магнитострикционных свойств различных ферромаг­ нитных материалов пользуются м а г н и т о с т р и к ц и о и н ы м и х а р а к т е р и с т и к а м и , которые представляют график зависи­ мости относительных деформаций материала от величины магнитного поля, т. е. от магнитной индукции В или от напряженности магнит­ ного поля. На рис. 177 представлены магнитострикционные характе­ ристики различных ферромагнитных материалов. По оси ординат отло­ жены относительные деформации, увеличенные в 106 раз.

Рассмотрение магнитострикционных характеристик позволяет сделать следующие выводы.

1 Термин «магнитострикция» происходит от латинского слова «стринго», что означает — стягиваю, сжимаю. «Магнитострикция» дословно означает — магнитное сжатие, сжатие под действием магнитного поля.

332