Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

ного соединения в конструкции, обладающей высокой чувстви­ тельностью, снижаются из-за значительно более высокого им­ педанса. Иными словами, когда кристаллы рассматриваются как параллельные пластины конденсаторов, емкость последова­ тельно соединенной конструкции составляет */i6 часть парал-

Р и с. 5.5. Пакеты кристаллов из параллельно (вверху) и последовательно (вни­ зу) соединенных пластин.

дельной, а ее импеданс в 16 раз превышает импеданс парал­ лельной конструкции. Если- в гидрофонах используются неболь­ шие пьезоэлектрические элементы совместно с близко располо­ женными предварительными усилителями, то более высокий им­ педанс может привести к увеличению потерь напряжения при передаче (см. разд. 3.6). Это выразится в уменьшении чувстви­ тельности на конце кабеля, что в свою очередь увеличит эффек­ тивный шум предварительного усилителя (см. рис. 5.19) и уменьшит отношение сигнал/шум. Таким образом, в кристалли­ ческих преобразователях необходим рациональный выбор между чувствительностью и электрическим импедансом. На прак­ тике кристаллы обычно соединяются параллельно.

быть велико по той же причине, по которой должно быть ве­ лико сопротивление утечки (разд. 5.2 и рис. 5.3). Удельное со­ противление сульфата лития очень велико, что в сочетании с большой прочностью и нечувствительностью к гидростатиче­ скому давлению делает сульфат лития хорошим материалом для низкочастотных гидрофонов, работающих при высоких гидро­ статических давлениях.

Для устранения резонансов и минимизации дифракционных эффектов широкополосные гидрофоны изготавливаются в виде очень малых по размерам кристаллических пакетов и, следова­ тельно, имеют высокий электрический импеданс. К недостаткам кристаллов относится то, что даже небольшое количество влаги будет шунтировать импеданс кристалла и явится причиной сни­ жения чувствительности в области низких частот. Кристаллы сульфата лития и ADP гигроскопичны, и если они в течение ка­ кого-то времени находятся в условиях значительной влажности, то необратимо меняют свои свойства. Кроме того, предельной температурой для сульфата лития является 75°С, а температура выше 125°С приводит к разрушению кристаллов ADP.

Вследствие высокого электрического импеданса кристалла в состав широкополосного кристаллического гидрофона обычно входит предварительный усилитель. Таким образом, кристалли­ ческий гидрофон состоит из собственно чувствительного эле­ мента, крепежного узла, основания, акустического окна и жид­ кости, связывающей кристалл с окном, предварительного усили­ теля в корпусе и кабеля. Взаимное влияние этих элементов кон­ струкции друг на друга и на акустическое поле являются важнейшими факторами, которые нужно учитывать при плани­ ровании измерений. Некоторые основные параметры сульфата лития и ADP приведены в табл. 5.1.

Кристаллические излучатели по существу представляют со­ бой мозаику кристаллических элементов, которая обычно зани­ мает значительно большую площадь, чем в гидрофонах, пред­ назначенных для работы в том же диапазоне частот. Размеры и форма мозаики определяются требуемой направленностью и из­ лучаемой акустической мощностью. Выбор последовательного или параллельного соединения кристаллов зависит от того, чему отдается предпочтение — требованию чувствительности или им­ педанса, а также зависит от типа используемых кристаллов. При выборе типа кристалла наряду с требованиями к чувствитель­ ности и импедансу учитываются влияние гидростатического дав­ ления и стоимость. В мозаичном излучателе используется боль­ шое количество кристаллов, а стоимость пьезоэлектрических кристаллов достаточно высока. Диск сульфата лития размером с 25-центовую монету стоит 30—40 долларов, а аналогичный

5.3.2. Сегнетоэлектрическая керамика

Керамика, электрические свойства которой подобны магнит­ ным свойствам ферромагнитных материалов, называется сегнетоэлектрической керамикой. Эту керамику стали широко исполь­ зовать в преобразователях в начале 50-х годов, и во многих случаях она быстро заменила кристаллы. Популярность этого материала объясняется его высокими диэлектрическими и пье­ зоэлектрическими постоянными, большим разнообразием форм, малой стоимостью и свойственной ему прочностью.

Из нескольких видов керамики наиболее широко использу­ ются титанат бария и цирконат-титанат свинца. Некоторые со­ ставы керамики метаниобата свинца имеют характеристики, ко­ торые больше всего подходят для широкополосных преобразова­ телей, предназначенных для работы на больших глубинах; из этой керамики изготовлено несколько типов таких преобразова­ телей.

Основы теории расчета сегнетокерамических и кристалличе­ ских преобразователей подобны. На практике же есть некото­ рое различие, связанное с тем, что 1) диэлектрическая проница­ емость керамики примерно в 100 раз больше, чем кристаллов, и это исключает ряд трудностей, возникших из-за очень высокого электрического импеданса; 2) керамике можно придать практи­ чески любую форму, и это дает конструктору значительно больше возможностей для творчества, чем при работе с кристаллами.

Преобразователи могут быть собраны из пластин, цилин­ дров, сфер, мозаики, полос и секций различных геометрических форм. Цилиндры и сферы целесообразно применять не только для получения заданной диаграммы направленности; они также работают в качестве механических трансформаторов. Насколько например, тангенциальное напряжение в стенке цилиндра выше'

имеет хороший модуль всестороннего сжатия и не нуждается в защите.

Для преобразователей цилиндрической формы приходится рассчитывать эффективный модуль всестороннего сжатия. Чув­ ствительность цилиндрического преобразователя определяется механической трансформацией самого цилиндра, механической трансформацией его торцов, а также тем, воздействует ли звуко­ вое давление на внутренние стенки цилиндра [9]. Достаточно хо­ рошей чувствительностью обладают правильно сконструирован­ ные, закрытые с торцов тонкостенные цилиндры. В то же время при определенном отношении толщины стенки цилиндра к его диаметру эффективный модуль толщины стенйи (d33) может быть в точности равен и противоположен по знаку алгебраиче­ ской сумме поперечного (<i3i) и продольного (d32) модулей, что в конечном счете сводит чувствительность к нулю. В типичных случаях это отношение колеблется от 0,3 до 0,4.

Многочисленные исследования были посвящены изучению ха­ рактеристик керамики в различных условиях окружающей среды, с которыми приходится сталкиваться при проведении ги­ дроакустических измерений. Свойства керамики не могут быть так же предсказаны, как свойства кристаллов, поскольку кера­ мика по составу и технологии изготовления не одинакова. Од­ нако если конструирование керамических преобразователей про­ исходит при тщательном контроле за качеством керамики и при строгом ее отборе, то такие преобразователи отличаются ста­ бильностью во времени и в заданных пределах изменения тем­ пературы и гидростатического давления.

5.4. МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Возможность применения магнитострикции в гидроакустиче­ ских преобразователях, вероятно, впервые была осознана в 20-х годах Пайерсом и его сотрудниками в Гарварде.

Магнитострикционные преобразователи широко использова­ лись в период второй мировой войны. Исчерпывающие сведения по теории и конструированию магнитострикционных преобразо­ вателей этого периода приведены в отчете Комитета исследова­ ний в области национальной обороны [10]. Эти вопросы в общем виде также рассмотрены в литературе [11, 12].

Магнитострикционные преобразователи обладают несколь­ кими недостатками, ограничивающими их применение в измери­ тельных целях. Во-первых, сюда относится вид частотной харак­ теристики чувствительности, рассмотренной ранее в разд. 5.2. К другим недостаткам этих преобразователей относится прису­ щая им нелинейность, наличие гистерезиса и необходимость в подмагничивании. Основное преимущество их состоит в низком электрическом импедансе и высокой механической прочности.

В отличие от пьезоэлектрического эффекта, магнитострикции не свойственна поляризация, т. е. механическое смещение не за­ висит от направления магнитного поля в металле. Например, ни­ кель, помещенный в магнитное поле, будет укорачиваться неза­ висимо от полярности этого поля.

Рис. 5.6 иллюстрирует присущую магнитострикционным пре­ образователям нелинейность и необходимость в подмагничива­ нии для избежания удвоения частоты.

Поскольку два типа магнитострикционных преобразователей все же в некоторых случаях применяются в качестве измери­ тельных, следует кратко о них упомянуть. Один из этих преоб­ разователей представляет собой толстостенный цилиндр, наб­ ранный из тонких никелевых пластин кольцеобразной формы, с тороидально намотанной катушкой [13, 14]. Остаточный магне­ тизм обеспечивает магнитное смещение.

Преобразователь другого типа, в виде тонкостенной трубки, разработан Гидроакустической лабораторией ВМС в Нью-Лон­ доне (штат Коннектикут) [10]. Внутри трубки помещается посто­ янный стержневой магнит и катушка провода, намотанного на деревянный стержень.

Вмагнитострикционных трубках или цилиндрах, так же как

ив соответствующих пьезоэлектрических элементах, под воздей­

ствием звукового давления в воде механическое напряжение в стенках возрастает пропорционально отношению радиуса трубки к толщине стенки. Недостатком таких преобразователей является то, что, хотя теоретически они считаются ненаправлен­ ными в одной плоскости, на практике же из-за сложности

размещения и герметизации никелевой трубки или цилиндра, магнита, катушки и т. д. достигнуть этого довольно сложно.

Трубчатые - преобразователи использовались на кораблях ВМС для контрольной поверки гидроакустических станций. В по­ следнее время они заменены керамикой.

Рис. 5.6. Деформация, вызванная магнитострикцией, в зависимости от прило­ женного магнитного поля. 1 — синусоидальный входной сигнал, 2 — искажен­ ный выходной сигнал.

5.5. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электродинамический преобразователь, или преобразователь с подвижной катушкой, применяемый в подводной акустике, в принципе не отличается от обычного громкоговорителя, рабо­ тающего в воздушной среде; как и громкоговоритель, он исполь­ зуется прежде всего в качестве широкополосного источника звука. В обоих средах для получения высококачественного вос­ произведения или плоской частотной характеристики чувстви­ тельности преобразователя в режиме излучения применим метод Райса-Келлога [15], который обосновывает работу в диапа­ зоне частот выше резонанса преобразователя. Из хорошо из­ вестных уравнений преобразования энергии электродинамиче­ скими преобразователями, из определения механического импе­ данса и излучения звука малой диафрагмой, движущейся

в поршневой моде, видно, что на этих частотах чувствительность преобразователя по току в режиме излучения постоянна:

и диафрагмы; р — излучаемое звуковое давление. Используя все три условия, мы можем написать, что

Эти уравнения справедливы только тогда, когда значения и механического и акустического импедансов определяются мас­ сой, а диафрагма преобразователя мала по сравнению с длиной волны. Механический импеданс определяется массой на часто­ тах выше основного резонанса массы подвески и ниже резо­ нанса изгибных колебаний диафрагмы. Акустический импеданс или импеданс излучения на частотах, при которых размеры ди­ афрагмы малы по -сравнению с длиной волны в воде, является, как правило, инерционным сопротивлением массы. Вопросы при­ менимости к гидроакустическим преобразователям метода Райса—Келлога подробнее рассмотрены Симсом [16].

Для излучения акустической мощности на низких частотах необходимы большие объемные смещения диафрагмы. При жест­ кости, присущей пьезоэлектрическим или магнитострикционным преобразователям, это трудно сделать, не прибегая к значитель­ ному увеличению их размеров, при которых за счет большой из­ лучающей поверхности можно восполнить весьма малые линей­ ные смещения. В электродинамическом преобразователе вся жесткость сосредоточена в упругой подвеске диафрагмы, кото­ рую можно сделать достаточно мягкой. Это обстоятельство свидетельствует о дополнительном преимуществе использования электродинамических преобразователей на низких частотах, но оно также свидетельствует об их малой 1механической проч­ ности. Поэтому электродинамические преобразователи имеют устройство автоматической компенсации наружного гидростати­ ческого давления противодавлением газа внутри преобразова­ теля. Для умеренных глубин (до 30 м) используется устройство типа складной подушки (см. рис. 5.37). При больших глубинах применяется механизм, подобный тому, какой применяется в ак­ валангах. Однако даже с исправно работающей системой