Файл: Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.pdf

5 9.4. Тип Е8

Преобразователь USRD типа Е8 был разработан в 1950 г. как образцовый прибор для градуировки в диапазоне частот 150—2000 кГц [24]. Он используется как излучатель, гидрофон

а также его типичные частотные характеристики приведены на рис. 5.33 и 5.34.

Частота, кГц

Р и с. 5.34. Типичные частотные характеристики чувствительности преобразова­ теля Е8. М — чувствительность в свободном поле [дБ относительно' 1В/(дин/см2)], S — чувствительность по току в режиме излучения [дБ относисительно 1 (дин/см2)/А].

Пьезоэлектрический элемент выполнен в виде диска суль­ фата лития диаметром 2 см и приклеен к диску из корпрена. Приблизительное согласование импеданса кристалла с импе­ дансом коаксиального кабеля и присоединенной передающей

или приемной цепи осуществляется импульсным трансформато­ ром с отношением импедансов 20: 1. Связующей жидкостью яв­ ляется касторовое масло. Акустическое окно изготовлено из на­ турального каучука. Хотя каучук и не отличается особой проч­ ностью, но на частотах порядка мегагерц он обладает меньшим затуханием, чем неопрен или бутиловая резина. В связи с боль­ шим затуханием звуковых волн в диапазоне мегагерц правиль­ ный выбор связующей жидкости и материала-эластомера приоб­ ретает особенно важное значение. В этом диапазоне требует учета даже собственное затухание небольших объемов воды.

Р и с. 5.35. Направленность преобразователя Е8 в плоскости акустической оси.

-------- 200 кГ ц ,--------- 1000 кГц.

На высоких частотах обычно нет необходимости работать при больших гидростатических давлениях. Максимальное гидроста­ тическое давление для преобразователя тип$ Е8 составляет только 3,5- 105 Па. Интервал температур 5—35 °С.

Направленность преобразователя, иллюстрируемая рис. 5.35, близка к теоретической направленности экранированного поршня диаметром 2 см. Выше примерно 500 кГц основной ле­ песток становится очень узким • и появляется необходимость в очень точной подвеске гидрофона.

Миллиметровые волны на высоких частотах выдвигают много конструктивных проблем. Представьте себе, например, как можно сконструировать ненаправленный гидрофон, достаточно малый по сравнению с длиной волны, если длина волны равна всего лишь 1 мм! Если же ограничиться ненаправленной диаграммой только в одной плоскости, рассчитывая воспользоваться для этого керамическим цилиндром, размеры которого соизмеримы

еще изготовить и установить с . пространственной точностью и симметрией в масштабе миллиметровой длины волны. Вторая проблема связана с узким основным лепестком преобразователя Е8 на частотах порядка мегагерц. Излучение большой мощности должно производиться с большой излучающей поверхности. Но при большой излучающей поверхности получаются чрезвы­ чайно узкие лепестки. Таким образом, высокие уровни сигнала и основные лепестки даже умеренной ширины на миллиметровых волнах несовместимы.

5.9.5. Тип G23

Преобразователь USRD типа G23 является типовым преоб­ разователем, предназначенным для использования в качестве излучателя при градуировках в малых баках на высоких уров­ нях гидростатического давления в диапазоне инфразвуковых и звуковых частот ниже 1 кГц. Электродинамические преобразо­ ватели из-за опасности использования сильно сжатого газа в системах компенсации давления не применяются при давле­ ниях свыше 7 0 '105 Па. Поскольку максимальный статический перепад давления на диафрагме (± 0,07 *105 Па) должен оста­ ваться постоянным, то при повышении статического давления соответственно должна повышаться чувствительность системы компенсации, а следовательно, усложняется ее конструкция, воз­ растают габариты.

К счастью, методы, применяемые для градуировки преобра­ зователей при высоких уровнях гидростатического давления в диапазоне низких частот, основаны на использовании баков или камер малого размера (см. разд. 2.2.3, 2.3.6, 2.3.7 и 2.5.1). Сопротивление излучения преобразователя в режиме излучения определяется, по существу, податливостью замкнутого объема воды. В таком случае звуковое давление пропорционально объ­ емному смещению излучателя. При малых размерах бака (на­ пример, таких, которые имела малая камера, рассмотренная в разд. 2.3.7) можно использовать небольшой столбик из пьезо­ электрических материалов типа сульфата лития или метаниобата свинца. Для баков большого размера — емкостью порядка нескольких кубических метров и более — объем кристаллов или керамики настолько возрастает, что их использование стано­ вится экономически нецелесообразным. В этом случае исполь­ зуется преобразователь типа G23, показанный на рис. 5.36.

В преобразователе типа G23 имеется 10 параллельных столбиков из керамических дисков титаната-цирконата свинца (5), возбуждающих относительно легкую магниевую переднюю плату или диафрагму (3). С противоположной стороны столбики

упираются в тяжелую стальную опорную плату (4). Поскольку весь свободный объем внутри преобразователя заполнен силико­ новым маслом, гидростатическое давление внутри него распре­ делено равномерно. Большая часть объемного смещения осуще­ ствляется за счет передней магниевой платы; это смещение пропорционально приложенному к керамике напряжению.

Рис. 5.36. Поперечное сечение преобразователя USRD типа G23. Применя­ ется керамика титаната-цирконата свинца PZT-4, диски имеют диаметр 3,8 см, тблщину 0,65 см. Описание см. в тексте.

Звуковое давление в масле внутри преобразователя находится в противофазе со звуковым давлением вне его или в баке. Поэтому, чтобы избежать шунтирования звукового давления в баке, заполненные маслом щели (/), образованные краями передней платы, должны иметь высокий акустический импеданс. Этот вопрос обсуждается в разд. 5.10 при рассмотрении пре­ образователя J9. Акустическое окно (2) выполнено из резины.

Преобразователь типа G23 используется в баке диаметром 28 см и высотой 1,5 м. При подведении к преобразователю на­

304 Гл. V. Измерительные преобразователи

импедансом круговой щели вокруг передней платы, которая вы­ полняет роль фильтра нижних частот. Электрически она ограни­ чена трудностью возбуждения емкостной нагрузки сигналом почти постоянного тока.

Преобразователь G23 применяется при давлениях до 70-105Па. Созданы преобразователи подобной конструкции, рассчитанные на давление до 700* 105Па.

5.10. КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ТИПА J9

В отличие от пьезоэлектрических преобразователей электро­ динамические излучатели, созданные по одному конструктивному решению, могут применяться для всех видов измерений, в ко­ торых их использование желательно или целесообразно. В каче­ стве примера можно привести конструкцию преобразователя USRD типа J9, разработанного СиПсом [16].

Преобразователь J9 был разработан в 1958 г. как излучатель и взаимный преобразователь для частотного диапазона от 40 Гц до 20 кГц. Конструкция и типичная частотная характеристика чувствительности в режиме излучения этого преобразователя приведены на рис. 5.37 и 5.38.

Легкая, но жесткая диафрагма диаметром 5,7 см удержива­ ется с помощью системы резиновых подвесок, позволяющей диафрагме совершать -большие линейные перемещения.

При погружении преобразователя вода проникает с задней стороны компенсационной камеры и сдавливает корпус, сделан­ ный из бутиловой резины, до тех пор, пока внутреннее давление воздуха не станет равным внешнему давлению воды. В таком случае при изменении глубины диафрагма не подвергается какому-либо статическому смещению. Эта система компенсации работает до глубины 25 м. На больших глубинах должна при­ меняться компенсационная система, подобная той, которая используется в аквалангах. Податливость воздуха внутри пре­ образователя является одной из причин наличия сильно демпфированного основного резонанса на частоте ниже 200 Гц. Изменение податливости воздуха с изменением статического давления служит причиной того, что на частотах ниже 200 Гц чувствительность зависит от глубины.

Пик чувствительности на частоте 20 кГц вызван изгибным резонансом диафрагмы. При дальнейшем увеличении частоты на характеристике чувствительности появляются резкие флуктуа­ ции, обусловленные другими типами резонансов. Преобразова­

306 Гл. V. Измерительные преобразователи

мощность преобразователя на частотах выше 200 Гд составляет

20 Вт.

Преобразователь USRD типа Л1 имеет конструкцию, подоб­ ную преобразователю J9, но большие размеры. Диаметр его диафрагмы 10 см. Полоса частот у него уже. Чувствительность преобразователя J11 выше, чем J9, всего лишь на несколько децибел, но, что более важно, его электрическая мощность может достигать 200 Вт. Для получения более высоких уровней сигнала можно составлять преобразователи J9 или J11 в группы из двух или более преобразователей.

На низких и средних звуковых частотах преобразователь J9 является ненаправленным. На высоких звуковых частотах в его диаграмме направленности появляется широкий лепесток — такой, как у поршня диаметром 5 см.

До разработки преобразователя J9 все электродинамические преобразователи, предназначенные для использования в водной среде, конструировались с одним дефектом, который казался неизбежным: пружинная подвеска по окружности диафрагмы для обеспечения ее значительного смещения должна была иметь большую механическую гибкость. Это приводило к тому, что акустический импеданс преобразователя на краях диафрагмы был низок. При этом звуковое давление перед диафрагмой шунтировалось низким акустическим импедансом краев. В пре­ образователе J9 шунтирования удалось избежать применением двух резиновых подвесок с передней и с задней стороны диафрагмы и заполнением пространства между ними силиконо­ вым маслом.

5.11. ВЗАИМНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Требования к взаимным преобразователям изложены в разд. 2.3. На практике же любой обычный пьезоэлектрический или электродинамический преобразователь, вероятно, является взаимным, если он обратимый, пассивный и излучает сигнал, не выходящий за пределы линейности. Чтобы преобразователь был обратимым, обычно ему достаточно не иметь предваритель­

любого вида тока или напряжения смещения.

Требование линейности до определенных предельных значе­ ний ограничивает уровни излучаемых сигналов, т. е. преобразо­ ватель не должен быть перевозбужденным. Это особенно харак­ терно для электродинамических преобразователей на резонансе и вблизи него.

Методы проверки взаимности преобразователей были рас­ смотрены в разд. 2.3. Все излучатели, описанные в разд. 5.9 и 5.10, используются и как взаимные преобразователи.