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

1. Различные ферромагнитные материалы при намагничивании ве­ дут себя по-разному: одни удлиняются (кобальтовая и никелевая ста­ ли), другие укорачиваются (кобальт, никель). Исключение представ­ ляет железо, которое незначительно удлиняется в слабом магнитном поле, а в относительно сильном магнитном поле ■— незначительно укорачивается.

2.Наилучшими магнитострикционными свойствами обладают ко­ бальтовая сталь и никель.

3.Все ферромагнитные материалы обладают своего рода «насыще­ нием» в отношении магнитострикционного эффекта; первоначальное намагничивание вызывает заметные

деформации, а при значениях маг­ AL нитной индукции свыше 0,03 Т дальнейшее ее увеличение не вы­ зывает заметных деформаций.

Эффект маГнитострикции об­

стержня будет создавать периодические сжатия и разрежения в среде, окружающей стержень. Тем самым колеблющийся стержень явится источником акустических колебаний. Наоборот, если на предваритель­ но намагниченный стержень падает акустическая волна, то под дей­ ствием переменного акустического давления будет изменяться степень намагничивания материала стержня. Возникающее при этом перемен­ ное магнитное поле наведет в обмотке соответствующую э. д. с. Таким образом, намагниченный стержень явится приемником акустических колебаний; он будет преобразовывать падающую на него акустиче­ скую энергию в энергию электрическую.

В вибраторах-излучателях используют прямой магнитострикционный эффект; в вибраторах-приемниках используют обратный магнитострикционный эффект.

Магнитострикционные вибраторы бывают поляризованными и неполяризованными.

П о л я р и з о в а н н ы м называется вибратор, материал кото­ рого предварительно намагничен.

333

Вибратор-излучатель может работать как с поляризацией, так и без поляризации. Вибратор-приемник может работать только в том

случае, если он поляризован.

Как указывалось, особенностью магнитострикционного эффекта является то, что знак деформации стержня не изменяется при измене­

нии направления магнитного поля.

На неполяризованный вибратор действует только переменное магнитное поле, которое создается за счет пропускания переменного тока по обмотке вибратора. Отсюда следует, что частота механических колебаний, излучаемых неполяризованным вибратором, в 2 раза боль­ ше частоты электрического тока, пропускаемого по обмотке виб­

ратора.

В поляризованном вибраторе переменное магнитное поле возбуж­ дения накладывается на постоянное поле поляризации. В этом слу­ чае магнитное поле вибратора будет изменяться только по величине, оставаясь одного направления. В соответствии с изменением величи­ ны магнитного поля будут изменяться размеры вибратора. Поэтому

частота механических колебаний в поляризованном вибраторе равна частоте электрических колебаний, возбуждающих вибратор.

Каждый стержень, обладая массой и упругостью, имеет собствен­ ную частоту колебаний. Работа вибратора будет более эффективной, если его возбуждать на частоте, совпадающей (или кратной) с его соб­ ственной частотой. Эта собственная частота называемая в таком случае резонансной частотой /0, определяется из формулы

где с — скорость распространения звука в материале стержня;

/ ■— длина стержня.

Из выражения (66) видно, что для любого магнитострикционного излучателя справедливо соотношение

f0l = const.

Для никеля, например, /0/ = 244 кГц-см. Это означает, что никелевый стержень длиной 10 см имеет резонансную частоту, рав­

ную 24,4 кГц.

Коэффициент полезного действия магнитострикционных вибраторов

равен примерно 50%.

Магнитострикционные вибраторы находят широкое применение

вэхолотах вследствие их большой прочности, простоты конструкции

инадежности в работе.

Важным практическим преимуществом магнитострикционных виб­ раторов является и то, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением. В связи с этим для возбуждения магнитострик­ ционного излучателя требуется сравнительно низкое электрическое

напряжение.

334

Пьезоэлектрический эффект 1

Некоторые кристаллы обладают тем свойством, что при сжатии на их поверхностях появляются электрические заряды. Эти свойства осо­ бенно резко выражены у кристаллов кварца и турмалина (естествен­ ные кристаллы), у сегнетовой соли (искусственный кристалл) и ке­ рамики титаната бария.

Если из этих кристаллов определенным образом вырезать пластин­ ку и поместить ее между двумя электродами, а затем сжимать с неко­ торым усилием (рис. 178, а), то на пластинке появятся электрические заряды ■— стрелка подключенного к электродам вольтметра будет от­ клоняться. Чем больше сжимающая сила, тем больше отклонится стрел­ ка вольтметра. Если вместо сжатия пластинку подвергнуть растяже­ нию, то стрелка вольтметра будет отклоняться в другую сторону, так как заряды на гранях пластины поменяются местами.

Это явление образования элек­ трических зарядов на поверхности кристаллической пластинки при;ее деформации (или под действием какой-либо силы) называется п р я ­ м ы м п ь е з о э л е к т р и ч е ­ с к и м э ф ф е к т о м .

При прямом пьезоэлектрическом эффекте количество электриче­ ских зарядов, выделившихся на поверхности кристалла, пропорцио­ нально деформации пластины. При перемене знака деформации, т. е. при переходе от сжатия к растяжению, меняется знак зарядов, обра­ зующихся на поверхности пластины.

Если к той же кристаллической пластинке подключить некоторый источник напряжения (рис. 178, б), то при замыкании цепи пластинка деформируется, причем деформация эта будет тем больше, чем больше приложенное напряжение. Если переключить концы проводов, то знак деформации изменится. Вместо сжатия пластина будет растяги­

ч е с к и м э ф ф е к т о м .

Чем больше приложенная разность потенциалов, тем больше де­ формация. При перемене знака разности потенциалов обратный пье­ зоэлектрический эффект сопровождается изменением знака деформа­ ции.

1 Термин «пьезоэлектричество» происходит от греческого слова «давлю». «Пьезоэлектричество» дословно означает — электричество, возникающее при давлении.

335

Поскольку при прямом пьезоэлектрическом эффекте сжатие кри­ сталла вызывает появление разности потенциалов на его гранях, этот эффект может быть, естественно, использован при приеме акустиче­ ских сигналов. Обратный пьезоэлектрический эффект может быть ис­ пользован при излучении, поскольку приложение к электродам пе­ риодически меняющегося электрического напряжения приводит к пе­ риодической деформации пластинки.

Кристаллы кварца обладают наибольшей механической прочностью, а поэтому их выгодно применять при излучении: вибратор, изготов­ ленный из кварца, будет обладать большой мощностью излучения. Кристаллы сегнетовой соли, наоборот, имеют меньшую, чем кварц, прочность, но проявляют больший чем кварц, пьезоэлектрический эффект. В связи с этим вибратор, выполненный из сегнетовой Соли, выгодно использовать в режиме приема: он будет обладать большей

чувствительностью.

В эхолотах часто устанавливают один пьезоэлектрический вибра­ тор, используя при этом обратимость пьезоэлектрического эффекта. В этом случае материал для вибратора подбирают в зависимости от его назначения, т. е. будет ли он излучателем или приемником.

В природе редко встречаются большие кристаллы, обладающие удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, поэтому упо­ требляют мозаики, составленные из большого числа пластинок одина­ кового среза и толщины. Для получения большей мощности излучения

вибраторы иногда делают многослойными.

Кварцевые пьезоэлектрические вибраторы были первыми ультра­ звуковыми вибраторами, использованными в эхолотах. Однако широко­ го распространения они не получили и в настоящее время в эхолотах используются очень редко. Основными недостатками пьезоэлектриче­ ских вибраторов являются:

1) дороговизна, обусловленная трудностью их изготовления (квар

цевые вибраторы); 2) малая механическая прочность, обусловленная наличием скле­

ивающего слоя; 3) зависимость свойств кристаллов сегнетовой соли от температу­

ры и их растворимость в морской воде; 4) высокое внутреннее сопротивление пьезоэлектрического вибра­

тора, вследствие чего требуется высоковольтное питание.

В последнее время получил распространение новый пьезоэлектри­ ческий материал — титанат бария. Выполненные из него вибраторы почти не имеют перечисленных выше недостатков.

Титанат бария представляет собой кристаллическую керамику, получаемую обжигом смеси^ карбоната бария и двуокиси титана при температуре примерно 1400°.

Обнаружено, что если титанат бария электрически поляризовать путем приложения к нему постоянного электрического напряжения, а затем подвести к нему переменное электрическое напряжение, то материал этот начинает совершать механические колебания с частотой изменения электрического поля.

336

Поскольку титанат бария представляет собой синтетический ма­

стрикционным) и кварцевым (пьезоэлектрическим) вибраторами коэф­ фициент полезного действия. При этом величина этого к. п. д. не зависит от величины подводимой к нему мощности.

Перечисленные особенности титаната бария обусловили его широ­ кое применение в качестве материала для вибраторов.

Глава XIII. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ НАВИГАЦИОННОГО ЭХОЛОТА

ИКОНСТРУКЦИИ ЕГО ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

§70. ЭХОЛОТЫ С МЕХАНИЧЕСКОЙ РАЗВЕРТКОЙ ВРЕМЕНИ. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ЗАПИСИ

Принцип действия эхолота

с вращающимся индикатором

При рассмотрении сущности акустического метода измерения глу­

акустического сигнала и моментом его приема в виде эха. Большинство современных эхолотов работает по методу механической развертки этого времени.

Каждый эхолот, назависимо от конструкции и назначения, дол­ жен удовлетворять следующим основным требованиям:

1) с заданной точностью измерять и непрерывно регистрировать короткие промежутки времени между посылкой сигнала и его приемом в виде эха, преобразуя их непосредственно в показания глубины;