Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

260 Гл. V. Измерительные преобразователи

периода принимаемого сигнала, и заряд на электродах будет стекать быстрее, чем будет меняться мгновенное значение амп­

до некоторой степени учесть" в хорошо изученной конструкции. Дифракция, также показанная на рис. 5.3, оказывает на чувст­ вительность более сложное воздействие, которое конструктору учесть почти не удается.

Рис. 5.3. Характерные воздействия на частотную характеристику чувствитель­ ности гидрофона демпфирования резонанса (1), дифракции (2), паразитных резонансов (3) и сопротивления утечки (4) пьезоэлектрического элемента.

Коэффициент дифракции D определен в разд. 2.2.3 и выра­ жением (2.4) как отношение воздействующего на гидрофон среднего давления в режиме торможения рь к давлению в сво­ бодном поле pf, т. е.

в очень широком смысле. Оно относится ко всем типам интер­ ференции волн и сигналов, связанных с преобразователем, и включает обычное отражение и рассеяние волн препятствием, а также интерференцию в отсутствие препятствий. Например, преобразователь может состоять из двух зондов, размеры кото­ рых настолько малы, что искажений падающей волны не про­ исходит. Коэффициент дифракции отдельного зонда был бы ра­ вен единице, однако для всей конструкции он имеет значение

в интервале от 0 до 1, вследствие того что сигналы на зондах могут не совпадать по фазе. Коэффициент дифракции определя­ ется теми же явлениями, что и острота диаграмм направлен­ ности в режиме приема, и зависит от угла падения звуковой волны. Как и у диаграмм направленности, между коэффициен­ тами дифракции для режимов приема и излучения существует взаимосвязь. В работе [3] было показано, что для режима из­ лучения D есть отношение давления, создаваемого преобразова­ телем в удаленной точке свободного поля, к давлению в той же

D=[(ka) 2 + l ] ~ 1/2.

a — радиус кольца, сферы, цилиндра или поршня; плоскость волнового фронта параллельна оси цилиндра или поверхности поршня и перпендикулярна плос­ кости кольца; fe = 2Jtf/c, где f — частота (в Гц) и с — скорость звука.

точке, создаваемому элементарным или малым сферическим ис­ точником с такой же объемной скоростью. Отношение между D и другими параметрами излучения определяется в этой работе формулой

где R — сопротивление излучения, R e — коэффициент, концент­ рации, k — волновое число, рс — волновое сопротивление воды.

рованных форм преобразователей, рассчитанные Генрике [4], приведены на рис. 5.4. Для других форм преобразователей зна­ чения D можно вывести из этих кривых. Например, для ци­ линдра конечных размеров D можно определить из кривых для цилиндра бесконечной длины и кольца. Для поршня произ­ вольной формы в жестком экране D = 2 (или + 6 дБ).

Разработчик практически не может учесть коэффициент диф­ ракции, так как характеристика направленности обычно бывает уже заданной. Поскольку коэффициент дифракции и диаграмма

направленности зависят от одних и тех же интерференционных явлений, они взаимосвязаны.

5.3. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Понятие «пьезоэлектрик» используется как для истинных монокристаллов типа сегнетовой соли, кварца, турмалина, ди­ гидрофосфата аммония (ADP), сульфата лития, где пьезоэлект­ рический эффект обусловлен асимметрией естественной кристал­ лической структуры, так и для поляризованной поликристаллическои керамики, пьезоэлектрические свойства которой возни­ кают в процессе производства. Все пьезоэлектрические матери­ алы обладают, помимо стабильности, определенными характе­ ристиками, которые определяют их пригодность в качестве электроакустических элементов в измерительных преобразова­ телях. К этим характеристикам относятся пьезоэлектрические

постоянные, диэлектрическая постоянная, удельное сопротивле­ ние и анизотропия кристаллов и керамики.

Чтобы описать отношение электрического параметра (напри­ мер, плотности зарядов или напряженности электрического поля) и механического (например, деформации или напряже­ ния), используются два типа пьезоэлектрических постоянных.

пряжения к плотности приложенных электрических зарядов или отношением напряженности электрического поля к приложен­ ному механическому напряжению. Индекс i определяет направ­ ление, перпендикулярное к электродам, или направление элект­ рического поля; индекс / характеризует направление возникшей деформации или приложенного механического напряжения.

к приложенному механическому напряжению. Индексы имеют тот же смысл, что и у постоянной g.

Индексы 1, 2, 3 относятся к трем взаимно ортогональным на­ правлениям. Индексы 4, 5 и 6 относятся к сдвиговым смеще­ ниям относительно осей 1, 2 и 3 соответственно. Индекс h отно­ сится к всестороннему (или одновременно трехмерному) напря­ жению или деформации.

Постоянные g и d связаны через диэлектрическую посто­

где во— диэлектрическая постоянная вакуума, е — диэлектриче­ ская постоянная материала относительно ео.

Отношение электрического поля к напряжению, определяю­ щее g, подобно отношению электрического напряжения к давле­ нию, определяющему чувствительность по напряжению в сво­ бодном поле. Поэтому постоянная g пропорциональна чувстви­ тельности гидрофона и служит наиболее удобным критерием оценки пьезоэлектрического материала для его использования в измерительных гидрофонах.

Особое значение имеет тот факт, что постоянные g a d для различных направлений могут отличаться как по величине, так и по знаку (полярности). К примеру, постоянные d2i, d22 и d2з сульфата лития соответственно равны +1,5, +16,0 и —4,0 (ум­ ноженным на коэффициент 10~12 Кл/Н). Знаки показывают по­ лярность, или направление, наведенного электрического поля. Если напряжение было бы одинаковым во всех трех направле­ ниях, результирующее электрическое поле в направлении 2 стало бы пропорциональным арифметической сумме постоянных, или 13,5' 10~12 Кл/Н, и чувствительность для всестороннего на­ пряжения была бы меньше, чем для одного направления 2. В этом случае модуль всестороннего сжатия, или d2h, только не­ много меньше, чем d22, и вполне может быть использован. Счи­ тается, что сульфат лития работает на всестороннее сжатие, даже если знак d2з противоположен знакам d2\ и d22. В других кристаллах, таких, как ADP, наблюдается больший компенсиру­ ющий эффект. Из-за потерь, обусловленных этой компенсацией, отдельные поверхности некоторых кристаллов необходимо экра­ нировать от звукового давления. Для этого их обычно покры­ вают тонкими слоями акустически мягкого материала. Наруше­ ние такой защиты является одной из причин нестабильности чувствительности гидрофонов.

Значения пьезоэлектрических модулей и других конструктив­ ных параметров преобразователей можно найти в технических проспектах одного из главных поставщиков — Отделения пьезо­ электриков фирмы «Кливайт», Бедфорд (штат Огайо).

264 Гл. V. Измерительные преобразователи

5.3.1. Пьезоэлектрические кристаллы

Пьезоэлектрические кристаллы широко использовались в про­ шлом как для гидрофонов, так и для излучателей. Хотя они в значительной степени вытеснены различными типами пьезо­ керамик, в них еще испытывается потребность там, где в пер­ вую очередь требуется высокая стабильность во времени.

Имеется много превосходных книг по молекулярному строе­ нию и феноменологии пьезоэлектрических кристаллов [5—8], по­ этому нет необходимости углубляться в теорию этого вопроса. Для постановки эксперимента исследователю достаточно знать прочность и упругость кристаллов как элементов преобразова­ теля.

К кристаллам, использовавшимся в гидроакустических пре­ образователях, относятся ADP, сульфат лития, сегнетова соль, кварц, турмалин. Из этих кристаллов только сульфат лития и ADP еще продолжают применяться в образцовых преобразова­ телях. Поскольку эти два типа кристаллов используются в двух основных конструкциях кристаллических преобразователей, эти кристаллы используются в последующих примерах. Кристаллы сульфата лития и турмалина в форме дисков или пластин рабо­ тают на всестороннее сжатие, т. е. используются их постоянные gh и dn и они не нуждаются в акустически мягком материале на боковых поверхностях. Как показано в разд. 5.3, при воздейст­ вии на все поверхности кристаллов чувствительность сульфата лития снижается только приблизительно на 20%. С другой.сто­ роны, кристаллы ADP, сегнетовой соли и кварца требуют аку­ стической защиты некоторых поверхностей мягким материалом (например, корпреном, пористой резиной, бумагой и т. д.). Ис­ пользование защиты из акустически мягкого материала ограни­ чивает величину допустимого гидростатического давления, по­ скольку этот материал, как правило, не может быть одновре­ менно акустически мягким и статически твердым.

На рис. 5.5 показан типичный пакет кристаллов. Расчетная чувствительность пакета по напряжению в режиме холостого хода М оценивается из обычного соотношения M = gL, где L — расстояние между электродами, на которых измеряется электри­ ческое напряжение. Если электроды на рис. 5.5 соединены па­

четырех кристаллов. Выбор параллельного или последователь­ ного соединения должен быть сделан до сборки пакета, по­ скольку полярность отдельных пластин кристаллов в этих слу­ чаях различна. Когда электроды соединены параллельно, чув­ ствительность всего пакета равна чувствительности только одного из четырех кристаллов. Преимущества последователь­