ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 155
Скачиваний: 0
•252 |
Гл. IV. Методы ближнего поля |
||
17. Trott W. |
J., Groves I. D., Application |
of the |
Near-Field Array Technique |
to Sonar |
Evaluation, Naval Res. Lab. |
Rep. |
6734, 20 May 1968 [AD-669 |
433]. |
|
|
|
18.Лысанов Ю. П., О краевом эффекте большого излучателя, Акуст. ж., 10, № 2, 202—205 (1964).
19.Hanish S., Blizard. М. A., Matzner R. A., Design of a Plane-Wave, Near-
Field Calibration Array, Naval Res. Lab. Memorandum Rep. 1565, 2 Sep. 1964.
20. National Bureau of Standards, Applied Mathematics Series 6, Tables of the Binomial Probability Distribution, U. S. Government Printing Office, Washington, 1950.
V
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
5.1. ВВЕДЕНИЕ
Чтобы правильно выбрать преобразователь, нужно знать основные характеристики существующих типов преобразова телей, их недостатки и преимущества. После того как выбран тип преобразователя, важно знать, как этот конкретный пре образователь будет работать в определенных условиях, соответ ствующих эксперименту. Слишком часто новичок приписывает преобразователю необоснованные характеристики. Например, образцовый гидрофон нельзя сравнивать по точности и стабиль ности с другими измерительными приборами, такими, как термо метр, часы, вольтметр или барометр. Нередко гидрофон при ходится использовать в очень широком диапазоне частот, при больших изменениях температуры и гидростатического давления. Градуировка же его проводится в определенных интервалах этих переменных, и чувствительность гидрофона обычно нельзя экстраполировать. Начинающие экспериментаторы часто не могут понять направленных свойств преобразователей и оши бочно полагают, что их преобразователь ненаправленный.
Измерительные преобразователи делятся на 1) образцовые гидрофоны, 2) источники звука, или излучатели, и 3) специаль ные преобразователи.
Основными требованиями к образцовым преобразователям являются стабильность и линейность. Чувствительность идеаль ного образцового гидрофона не зависела бы от времени, частоты и условий окружающей среды, в особенности от гидростатиче ского давления и температуры. Зависимость чувствительности от направления или ориентации нужна не всегда. Практически в течение одного года при давлениях порядка десяти миллионов паскалей и температурах от 0 до 40 °С можно достичь стабиль ности в пределах ±1 дБ в полосе частот 2 декады. Линейность образцовых гидрофонов в большей степени ограничена из-за присоединенных усилителей или трансформаторов, чем за счет электроакустических свойств их чувствительных элементов.
Назначением излучателя, как правило, является лишь воз буждение полезного и контролируемого звукового поля в среде. При проведении градуировки, как и в технике звукозаписи,
254 Гл. V. Измерительные преобразователи
желательно добиться высококачественного воспроизведения при котором чувствительность преобразователя в режиме излучения должна быть постоянной в широком диапазоне частот. Коэффи циент полезного действия имеет второстепенное значение. В те чение одного цикла измерений, длящегося, скажем, несколько дней, необходимо получать устойчивые результаты.
К специальным типам преобразователей относятся преобразо ватели, предназначенные для каких-либо специальных целей а некоторых измерениях целесообразно использовать, например характеристики направленности гидрофонов градиента давления' или дипольных излучателей (см. разд. 2.12). Когда необходимо иметь очень высокую чувствительность, ее можно получить за счет уменьшения ширины полосы частот, используя резонансные преобразователи. Аналогично этому за счет ухудшения линейно сти можно добиться высокой чувствительности у излучателя Очень важным классом специальных преобразователей являются
преобразователи, удовлетворяющие электроакустической теореме взаимности (см. разд. 2.3).
С того времени, как в начале этого столетия был создан генератор непрерывных акустических колебаний Фессендена, по явились тысячи подводных звуковых преобразователей, из кото рых одни не нашли применения, а другие были усовершенство ваны. Разнообразие требований, предъявляемых к преобразова телям, которые применяются в подводной акустике, а также
создание новых материалов способствовали разработке мно жества самых различных конструкций.
Практически все измерительные преобразователи, применяе мые в настоящее время, подразделяются на пьезоэлектрические кристаллические или керамические, магнитострикционные и электродинамические. Для излучения и приема звука в воде применяются преобразователи с переменным магнитным сопро тивлением, электростатические, гидростатические, искровые пневматические, электрокинетические и электронные, однако они
редко используются в качестве образцовых преобразователей и поэтому здесь не рассматриваются.
5.2. ЗАВИСИМОСТЬ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В РЕЖИМЕ ПРИЕМА И ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ЧАСТОТЫ
Принципиальное отличие измерительных преобразователей от рабочих преобразователей, применяемых в навигации, связи, определении местоположения целей и т. д., связано с частотными характеристиками чувствительности. Особенно важным свой ством измерительных преобразователей является их широкополосность. Ширина полосы частот некоторых гидрофонов достигает четырех декад. По отношению к измерительным пре
5.2. Зависимость чувствительности от частоты |
255 |
образователям понятие ширины полосы частот не имеет точного значения, как по отношению к фильтрам. Обычно оно относится к рабочему диапазону частот.
Рабочий диапазон частот определяется: а) уровнем чувстви тельности, б) электрическим импедансом преобразователей, в) механическими ограничениями преобразователя и г) видом частотной характеристики чувствительности. Требования (а) и (б) зависят друг от друга и от условий измерений, особенно от уровня акустических и электрических шумов. Следовательно, эти требования меняются от случая к случаю, и нет простых правил для того, чтобы установить минимальную необходимую чувстви тельность, максимальный рабочий импеданс и т. д. Но следует заметить, что чувствительность гидрофона в свободном поле, рав
ная |
—120 дБ относительно |
1 В/(дин/см2), |
является очень низ |
кой, |
а равная —140 дБ |
слишком мала |
для использования |
в обычных электроакустических измерениях. |
|
||
Удовлетворительный уровень чувствительности еще не гаран тирует применимости излучателя. В частности, применение пьезо электрических излучателей из-за их высокого электрического импеданса ограничено на низких частотах. Напряжение, необхо димое, например, для возбуждения тока в несколько миллиампер в небольшой решетке из кристаллических элементов, настолько велико, что может произойти пробой.
В других излучателях пределы упругости, илн пределы линей ности, электроакустического элемента или таких механических частей, как мембрана, могут быть превышены при уровне воз буждения, необходимом для создания нужных уровней звуко вого давления.
Требование (г) следует рассмотреть подробнее. Теоретиче ская чувствительность измерительных преобразователей обычно представляет собой известную зависимость от частоты. Однако, хотя общий вид частотной характеристики предсказуем, тонкий спектр этой кривой имеет более сложную форму, так как зави сит от паразитных резонансов, отражений, дифракционных эф фектов, а также реальных условий, которые не могли быть точно учтены теорией. Одним из распространенных примеров допуще ний, принимаемых теорией, может служить приближение жест ких границ.
Эквивалентные схемы, приведенные на рис. 5.1а и 5.16, мо жно использовать для анализа зависимости чувствительности гидрофона от частоты для простых и идеализированных слу чаев, использующих некоторые важные упрощающие предполо жения. Предполагается, что колеблющиеся элементы эквива лентны в механическом отношении одиночным демпфированной пружине и массе. Практически это означает, что все элементы в решетке идентичны и их размеры малы по сравнению с длиной
256 |
Гл. V. Измерительные преобразователи |
звуковой волны в материале элемента и в воде. Следовательно, «распределенные параметры» заменяются «сосредоточенными параметрами». Предполагается также, что преобразователь на столько мал, что присоединенной массой воды в импедансе из лучения можно пренебречь, т. е. можно принять, что свойства
<fZZm
,_________ А_________
С'/!fz |
<fzm |
y/zR |
Рис. 5.1а. Эквивалентная схема небольшого пьезоэлектрического гидрофона. Се— электрическая емкость заторможенного кристалла, С — гибкость ненагружеиного кристалла, пг — эффективная масса, R — механическое сопротивление, Ф — электромеханический коэффициент (напряжение/сила), Zm — механиче ский импеданс, А — площадь диафрагмы.
среды не оказывают влияния на колебательное движение. На низких частотах в импеданс излучения входят сопротивление и
tie L
Рис. 5.16. Эквивалентная схема небольшого электродинамического или магнитострикционного гидрофона, к — скорость перемещения диафрагмы, Re— электрическое сопротивление, L — индуктивность в режиме торможения, С гибкость заторможенного кристалла, m — эффективная масса, R — механиче ское сопротивление, ф — электромеханический коэффициент (напряжение/ско-
рость), А — площадь диафрагмы.
масса. Ни один из этих параметров не является постоянным, и их нельзя объединять с постоянными R и пг на рис. 5.1 а и 5.1 б.
Эквивалентная схема пьезоэлектрического гидрофона пока зана на рис. 5.1а, электродинамического и магнитострикционного гидрофонов— на рис. 5.16. Вследствие различий в самих принципах преобразования эти схемы различны.
5.2. Зависимость чувствительности от частоты |
257 |
Из рис. 5.1а очевидно, что для пьезоэлектрических гидро фонов
еос |
<?А |
(5.1) |
|
Р |
i<»Ce^ Z m + 1 |
||
|
Для всех частот, за исключением, может быть, лежащих вблизи области резонанса, coCecp2Zm^>l и чувствительность об ратно пропорциональна соZm. На рис. 5.2а приведен график вы
ражения |
(5.1). На низких частотах, где 1//соС» (R+jwrn), чув |
|||
ствительность постоянна. |
На резонансной |
частоте, |
где /сот = |
|
= 1//соС, |
чувствительность резко возрастает. Выше ' резонанса, |
|||
где |
(7?+ 1//соС), чувствительность быстро падает, причем |
|||
наклон |
кривой обратно |
пропорционален |
квадрату |
частоты. |
В пределах октавы выше резонанса предположение о том, что система имеет сосредоточенные параметры, становится неспра ведливым и приходится пользоваться методами анализа систем с распределенными параметрами или передающих линий. Выше резонанса характеристика чувствительности проходит через се рию резонансов и антирезонансов, и по этой причине на часто тах выше резонанса гидрофоны неудобны для использования в качестве образцовых.
Учитывая взаимность, можно показать, что характеристика чувствительности преобразователя по току в режиме излучения имеет такую же форму, как характеристика его чувствительно сти по напряжению в свободном поле, за исключением того, что она имеет дополнительный наклон, равный 6 дБ/октава, или пропорциональна частоте с другим показателем степени. Сле довательно, типичная характеристика будет иметь вид, соот ветствующий пунктирной кривой на рис. 5.2а.
Из рис. 5.16 также видно, что
£ос___________tyA________
(5.2)
РЫс)+ju>m+ * Zm
Таким образом, для электродинамических и магнитострикционных гидрофонов чувствительность е0с/р обратно пропорцио нальна механическому импедансу. На рис. 5.26 приведен график выражения (5.2). Из сравнения рис. 5.2а и 5.26 видно, что кривые, приведенные на рис. 5.26, наклонены относительно кривых рис. 5.2а на 6 дБ/октава.
Из рис. 5.2 видно, что наилучший путь получения чувстви тельности, не зависящей от частоты, т. е. кривой с плоским участком, состоит в использовании пьезоэлектрического эле мента ниже его резонансной частоты. Именно по этой причине в широкополосных гидрофонах в настоящее время используются
17 З а к а з № 730
258 |
Гл. V. Измерительные преобразователи |
небольшие пьезоэлектрические элементы с высокими резонанс ными частотами.
Рис. 5.2а. Пьезоэлектрический преобразователь. Зависимость чувствитель ности в свободном поле М=е 0с/р (сплошная кривая) и чувствительности по току в режиме излучения S (пунктирная кривая) от круговой частоты со.
Рис. 5.26. То же, что на рис. 5.2а, для электродинамического и магнитострикционного преобразователей.
Из рис. 5.2 также можно сделать вывод, что наилучший путь получения чувствительности преобразователя по току в режиме излучения, не зависящей от частоты,— это использование элек тродинамических или магнитострикционных преобразователей выше их резонансной частоты. Такое утверждение справедливо
5.2. Зависимость чувствительности от частоты |
259 |
для электродинамических преобразователей, но не для магнитострикционных. Данные характеристики построены в предполо жении, что размеры элементов преобразователей малы по срав нению с длиной волны в воде. Таким образом, для получения характеристик с плоским участком требуется излучатель неболь ших размеров, имеющий резонанс в области низких частот. Мо жно создать электродинамические преобразователи с диаметром
диафрагмы в несколько |
сантиметров |
и с |
резонансом около |
100 Гц, что соответствует |
длине волны |
в воде порядка 15 м. |
|
Магнитострикционные преобразователи, |
как |
и пьезоэлектриче |
|
ские, Вуллет [2] называет «преобразователями с объемной си лой», потому ч т о б них электромеханические силы действуют во всем объеме материала чувствительного элемента. Следова тельно, такие преобразователи резонируют на частотах, обратно пропорциональных их размерам. Несмотря на введение различ ных конструктивных новшеств, пока еще не удалось создать ре зонансные магнитострикционные преобразователи с очень ма лыми размерами и в то же время с резонансом на очень низ ких частотах.
На ультразвуковых частотах легче всего выполнимы пьезо электрические или магнитострикционные излучатели. Сравнение кривых чувствительности по току пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователей в режиме излучения на участ ках ниже резонанса (рис. 5.2а и 5.26) показывает, что частот ная характеристика преобразователя пьезоэлектрического типа наиболее постоянна. Поэтому на практике в диапазоне звуковых частот используются электродинамические излучатели, а в об ласти ультразвуковых — пьезоэлектрические.
С ростом частоты электрический импеданс пьезоэлектриче ского преобразователя уменьшается, а импеданс электродина мического и магнитострикционного преобразователей растет. Поэтому на более высоких частотах наклон кривой для пьезо электрического излучателя будет больше, чем на рис. 5.2а, а наклон характеристики электродинамического или магнито стрикционного преобразователей будет меньше, чем на рис. 5.2 6. В качестве примера можно обратиться к рис. 5.3.
Реальные частотные характеристики редко похожи на иде альные, изображенные на рис. 5.2а и 5.26. Пунктирная кривая на рис. 5.3 иллюстрирует некоторые характерные искажения чув ствительности пьезоэлектрического гидрофона в свободном поле. Резонансный пик уменьшен электрическим, механическим или акустическим сопротивлением. Возможно появление паразитных резонансов. На некоторой очень низкой частоте реактивное ем костное сопротивление кристаллов или керамики становится больше удельного сопротивления или сопротивления утечки кри сталла. Постоянная времени RC цепи становится меньше
17*
