Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

282 Гл. V. Измерительные преобразователи

ультразвуковых частотах. Общий вид преобразователя и его ти­ пичные частотные характеристики и диаграммы направленности приведены на рис. 5.16—5.18.

Преобразователь F36 сконструирован так, что его можно под­ вешивать на кабеле. Он является ненаправленным в горизон­ тальной плоскости и не требует точной ориентации по горизон­ тали. Чувствительный элемент преобразователя представляет собой линейную группу элементов из цирконата-титаната свинца, выполненных в виде цилиндров, закрытых стеклянными

Р и с . 5 .1 7 . Т и п и ч н ая ч а ст о т н а я х а р а к т ер и ст и к а ч у в ст в и т ел ь н о ст и М п р е о б р а ­

зо в а т е л я F 3 6 в с в о б о д н о м п о л е и ег о ти п и ч н а я ч а с т о т н а я х а р а к т ер и ст и к а ч у в ­ ст в и т ел ь н о ст и S п о т о к у в р е ж и м е и зл у ч е н и я (т а к и е ж е х а р а к т ер и ст и к и и м еет п р е о б р а зо в а т е л ь В М С T R -2 0 5 /W Q M ).

колпачками и не требующих акустически мягкого материала. Пространство между цилиндрами и резиновой оболочкой запол­ нено касторовым маслом. Размеры цилиндров и колпачков, а также характеристики материалов выбраны так, чтобы обеспе­ чить постоянную чувствительность в широком диапазоне частот.

Преобразователь F37 — модификация F36, предназначенная для работы на более высоких частотах. Преобразователь TR205/WQM также является модификацией преобразователя F36; он используется ВМС в корабельных условиях для контроля характеристик корабельных гидроакустических станций. При про­ ведении контрольных измерений преобразователь TR-205/WQM опускается на кабеле с борта корабля на глубину расположе­ ния преобразователя подкильной гидроакустической станции. Характеристики работы станции определяются по данным излу­ чения и приема контрольных гидроакустических сигналов преоб-

разователями гидроакустической станции и TR-205/WQM. Гид­ рофоны данного типа имеют у основания скобу для крепления груза, удерживающего их в устойчивом положении при проведе­ нии измерений с борта корабля.

5 .7 . Г И Д Р О Ф О Н Ы Д Л Я И З М Е Р Е Н И Я Ш У М О В

Отличительная особенность гидрофона для измерения шу­ мов— его низкий уровень собственного шума. Неофициальным

Р и с. 5 .1 9 . Т ипичны й эк в и в а л ен тн ы й ш у м на в х о д е т р а н зи с т о р н о г о п р е д у с и л и ­ т е л я в д е ц и б е л а х о т н о с и т е л ь н о 1 В в п о л о с е 1 Г ц . Н а к р и в ы х н а н е с е н а е м ­ к о ст ь р а б о ч и х эл ем ен т о в .

показателем качества такого гидрофона является уровень соб­ ственных шумов на 1 Гц в децибелах относительно уровня шти­ левых шумов моря по Кнудсену. Раньше гидрофон в лучшем случае способен был регистрировать шумовое поле при штиле­ вых уровнях моря. Однако при современных методах выделе­ ния сигналов из шумов возможно измерять сигналы много ниже уровня шумов моря.

Для нерезонансных пьезоэлектрических чувствительных эле­ ментов собственные шумы сопротивления излучения, механиче­ ского и электрического импедансов незначительны по сравнению с шумами предварительного усилителя. В таком случае порого­ вое или эквивалентное шумовое давление, связанное с шумами предварительного усилителя через вносимую пьезокерамическим элементом входную нагрузку, зависит от емкости и чувствитель­ ности этого элемента.

Уровни шумового напряжения, характерные для типичного предварительного усилителя на транзисторах, приведены на рис. 5.19. Давление, эквивалентное шуму такого предусилителя, который используется в образцовом гидрофоне, предназначен­ ном для измерения шумов, и шум спокойного моря по Кнудсену приведены на рис. 5.20.

1 д н н /с м 2 в п о л о с е 1 Г ц . П р я м о й в в ер х у п о к а за н у р о в е н ь ш ти л ев ы х ш у м о в м о р я п о К н у д с е н у . Н а к р и вы х у к а за н а ем к о ст ь р а б о ч и х эл ем ен т о в .

Гидрофоном для измерения шумов является, например, DT-99/PQM-1A (см. разд. 5.6.1). Установленные в нем перво­ начально кристаллы ADP были заменены керамическим элемен­ том, обеспечивающим лучшую вертикальную направленность и повышающим временную стабильность. В конструкцию более поздней модификации такого гидрофона, получившей название DT-268, входит транзисторный предусилитель.

5 .8 . К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е П Ь Е З О Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Х И З Л У Ч А Т Е Л Е Й

Пьезоэлектрические измерительные излучатели рассчитаны на работу в диапазоне частот ниже резонансной частоты, где они' управляются гибкостью. Достаточные для практики уровни звукового давления можно получить с помощью нерезонансных

286 Гл. V. Измерительные преобразователи

керамических излучателей на частотах выше примерно 1 кГц и нерезонансных кристаллических излучателей на частотах выше примерно 5 кГц. На более низких частотах объем керамических или кристаллических элементов значительно возрастает, и при­ менять их становится нецелесообразно и экономически не оправ­ дано. Кроме того, напряжение возбуждения становится на­ столько большим, что возникает электрическая дуга, приводя­ щая к пробою элементов. Исключение составляют керамические излучатели, работающие в малых камерах, где нагрузочным им­ педансом на излучатель является главным образом податли­

При большинстве измерений, проводимых в лаборатории или бассейне, желательно иметь однонаправленные излучатели, что­ бы уменьшить влияние отражений от боковых стенок, верхней и нижней границ водоема. При измерениях в открытых водоемах необходимо применять ненаправленные излучатели, поскольку невозможно ориентировать их и управлять ими так же точно, как в лабораторных условиях.

Основными трудностями при конструировании излучателей являются аномалии, вызываемые паразитными резонансами в корпусе и в креплении элементов, а также изгибные моды ко­ лебаний в керамике. На низких частотах, когда размеры излу­ чателя малы по сравнению с длиной волны в воде и когда ис­ точник можно считать точечным, чувствительность преобразова­ теля по напряжению в режиме излучения характеризуется кривой с наклоном 12 дБ/октава. Это происходит из-за того, чтоамплитуда объемного смещения пьезоэлектрического элемента, управляемого жесткостью, пропорциональна напряжению. Кри­ вая чувствительности преобразователя по току в режиме излу­ чения имеет наклон б дБ/октава. Для изменения наклона этих кривых в некоторых преобразователях используются трансфор­ маторы.

Звуковое давление, создаваемое на расстоянии г от точеч­ ного источника, равно

где U — среднеквадратичная объемная скорость, р — средне­ квадратичное звуковое давление, со — круговая частота; в то же время Н = со£Л, где I — линейное смещение излучающей поверх­

Следовательно, величина давления на 1 В примет вид

—= — j ------------- ~ о К . (5.12)

е4кг

Вобласти низких частот чувствительность преобразователя по току в режиме излучения имеет наклон 6 дБ/октава, по­

скольку импеданс представляет собой почти чисто емкостное со­ противление, т. е.

где С — электрическая емкость незаторможенного элемента, i —

В этом случае чувствительность преобразователя в режиме из­ лучения зависит от импеданса излучения и коэффициента кон­

том дифракции уравнением (5.4). На чувствительность преобра­ зователя в режиме излучения, как и на его чувствительность в режиме приема, влияют эффекты, показанные на рис. 5.4.

Керамика является наиболее подходящим материалом для пьезоэлектрических излучателей в области высоких звуковых и низких ультразвуковых частот. По сравнению с кристаллами она имеет более высокие диэлектрические постоянные, т. е. бо­ лее низкий электрический импеданс; кроме того, она дешевле и удобнее для использования в различных конструкциях преоб­ разователей. Очень высокая стабильность кристаллов примени­ тельно к излучателям не имеет такого же значения, как для об­ разцовых гидрофонов. В излучателях кристаллы применяются на частотах выше 100 кГц, поскольку их колебательные моды могут быть предсказаны с достаточной точностью, а резонанс­ ные частоты выше, чем у керамических элементов тех же разме­ ров. Это имеет значение, когда необходимо получить наиболь­ ший частотный диапазон. Кроме того, перекрестная связь между колебательными модами обычно причиняет меньше неприят­ ностей.

Когда для снижения высокого электрического импеданса кристаллов используются трансформаторы, они рассматрива­ ются как неотъемлемая часть преобразователя. Эти трансфор­ маторы должны передавать энергию кристаллам (которые обла­ дают в основном реактивным электрическим импедансом) без