ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 138
Скачиваний: 0
5.12. Дипольные преобразователи |
307 |
5.12. ДИПОЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Гидрофоны градиента давления и колебательной скорости,
атакже бинаправленные, или дипольные, излучатели относятся
к«дипольным преобразователям». Преобразователь этого типа действует как два небольших преобразователя, работающих в противофазе и расположенных на близком расстоянии друг от друга. На практике этими двумя преобразователями обычно являются противоположные концы одного и того же элемента,
Рис. 5.39. Теоретическая модель дипольного преобразователя, представлен ная в виде двух противофазных точечных излучателей, разнесенных на рассто яние А х. Диаграмма направленности преобразователя имеет вид cos 0.
совершающего продольные колебания. Дипольные преобразова тели используются чаще в воздушной акустике (например, в лен точном микрофоне [25]), чем в гидроакустике. В некоторой степени это объясняется тем, что в воздухе длина звуковой волны меньше, а градиенты давления и колебательные скорости больше.
Отличительной и наиболее важной особенностью диполя является его диаграмма направленности. Если размеры обоих преобразователей и расстояние между ними значительно меньше длины волны в воде, то диполь имеет косинусную диаграмму на правленности, или «восьмерку» [26]. Это означает, что давление при угле 0 пропорционально cos0 (рис. 5.39). Диаграмма на правленности, по существу, не зависит от частоты в диапазоне, где справедливы отмеченные предположения о размерах пре образователей и расстоянии между ними. Некоторые теорети ческие рассуждения относятся к гидрофонам градиента давления порядка п, когда характеристика направленности задается функ цией cos” 0. Таким образом, гидрофон градиента давления
20*
308 Гл. V. Измерительные преобразователи
нулевого порядка является ненаправленным. На практике термин «градиент давления» означает градиент давления первого порядка, если не оговаривается другое значение.
Использование дипольного преобразователя — это практи чески единственный метод получения хотя бы умеренной на правленности на низких и средних звуковых частотах, если не обращаться к крупногабаритным преобразователям. Обычно понятия «гидрофон градиента давления» и «гидрофон колебательной скорости» считаются равнозначными, однако между этими двумя типами гидрофонов существует различие. Это различие относится к предсказываемой частотной характе ристике, о чем полезно помнить тому, кто применяет или градуирует такие гидрофоны.
Большинство гидрофонов градиента давления и колебатель ной скорости состоят из какого-либо чувствительного элемента, который совершает колебательное движение под влиянием гра диента давления или колеблется вместе с частицами воды.
Зависимость между давлением, колебательной скоростью и
градиентом давления в плоской бегущей волне |
определяется |
следующими соотношениями: |
|
р=рси, |
(5.15) |
/ <орй=— |
(5.16) |
где р — среднеквадратичное значение звукового давления, и — среднеквадратичное значение колебательной скорости частицы, Pi — мгновенное значение звукового давления, d p j d x — градиент давления в точке х в направлении оси х, со — круговая частота, р — плотность, с — скорость звука.
Из этих соотношений видно, что при фиксированном давле
нии р, |
зависящем от частоты |
и, колебательная скорость ча |
стицы |
и будет также постоянной, однако градиент давления |
|
dpjdx |
будет пропорционален |
частоте. Из уравнения (5.16) |
можно также заметить, что градиент давления и колебательная скорость сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90°. Таким образом, если мы определяем гидрофон колебательной скорости как такой гидрофон, у которого выходное напряжение пропорционально и, то его чувствительность по напряжению в свободном поле будет постоянной, или, другими словами, его частотная характеристика будет плоской. С другой стороны, если гидрофон градиента давления определить как гидрофон, у кото рого выходное напряжение пропорционально градиенту давления, то его чувствительность по напряжению в свободном поле будет пропорциональна частоте, т. е. частотная характеристика будет иметь наклон 6 дБ/октава.
5.12. Дипольные преобразователи |
30» |
Поскольку наклон характеристики чувствительности гидро фона зависит как от принципа преобразования, так и от механи
ческого |
импеданса колеблющегося элемента, то обычно один |
и тот же |
гидрофон является гидрофоном градиента давления |
в диапазоне ниже резонансной частоты и гидрофоном колеба тельной скорости на частотах выше резонанса. Следовательно, существующие термины имеют вполне определенный смысл.
Колебательная скорость и градиент давления, заставляющие чувствительный элемент совершать колебательные движения, не обязательно равны колебательной скорости частиц и градиенту давления в плоской бегущей волне. В конструкции гидрофона прежде всего стараются каким-либо путем акустически усилить колебательную скорость волны или градиент давления, чтобы усилить их действие на гидрофон на частотах вне области ре зонанса.
Градуировка гидрофонов градиента давления и колебательной скорости производится в единицах звукового давления плоской волны, т. е. так же, как гидрофонов давления. Когда в некото рых особых случаях необходимо использовать в качестве единицы колебательную скорость плоской волны, частотную ха рактеристику получают за счет добавления 20 lgpc, или 103,5 дБ.
5.12.1. Гидрофоны колебательной скорости
Обычный широкополосный гидрофон колебательной скорости работает по принципу электрогенератора, который генерирует напряжение е, когда провод (обычно катушка) длиной L пере секает со скоростью ис магнитное поле, имеющее индукцию В, что соответствует уравнению
e = B L ис. |
(5.17) |
Один из типов гидрофона колебательной скорости подобен электродинамическому преобразователю, за исключением того, что звуковое давление воздействует на противоположные стороны или концы катушки, причем давление, заставляющее катушку перемещаться, равно разности мгновенных значений давлений А/?,. Эта разность давлений равна градиенту давления в звуковом поле, умноженному на разность акустического пути Ах между двумя сторонами или концами катушки, на кото рую воздействует звуковое поле, и на cos 0 (рис. 5.39). Следова тельно,
A^cosO. (5.18)
Подставляя уравнение (5.16) в (5.18), получаем
Api= - j [ Jf ) p b x c o s b . |
(5.19) |
310 |
Гл. V. Измерительные преобразователи |
Как было показано экспериментально, величина разности акустического пути Ах довольно точно соответствует физическим размерам пути в обход экрана, окружающего катушку.
Частное Api/uc зависит от удельного акустического импеданса катушки и от ее подвески. Подвеска катушки должна быть чрезвычайно мягкой, чтобы резонанс подвески и массы катушки располагался ниже рабочего диапазона частот, выбранного рав ным, например, 50—100 Гд. Тогда импеданс фактически равен
Л е гки й ка р ка с и прозрачный
Кат уш ка на
пласт мас - совом сердеч
нике
Рис. 5.40. Поперечный разрез гидрофона BTL типа 1А в горизонтальной плос кости (упрощенная схема). Здесь и далее параллельными стрелками изобра жено звуковое поле.
реактивному сопротивлению |
jam |
катушки и присоединенной |
||
массы воды и |
|
|
|
|
А д ; ___ j<*m |
’ |
(5.20) |
||
и с |
S c |
|||
|
||||
где S c— площадь катушки, на которую воздействует звуковое давление.
Из соотношений (5.17), (5.19) и (5.20) можно получить чув ствительность по напряжению в свободном поле е!р\
е |
__ B L S C Ax cos 0 |
(5.21) |
|
р |
т с |
||
|
Формула (5.21) показывает, что чувствительность не зависит от частоты и пропорциональна cos 0.
Первым гидрофоном колебательной скорости такого типа (был, вероятно, гидрофон 1А фирмы «Белл телефон лэборэтриз»
5.12. Дипольные преобразователи |
311 |
(BTL), сконструированный в 1942 г. для Лаборатории гидро акустических измерений ВМС [23]. Расположение его катушки и
Рис. 5.41. Частотная характеристика чувствительности в свободном поле ги дрофона 1А.
магнита показано на рис. 5.40. Магнит был подвешен на легком
каркасе, относительно которого считался неподвижным. Типич ная частотная характеристика по
казана на рис. 5.41. Как и у дру |
|||||
гих преобразователей, эту харак |
|||||
теристику |
искажают |
паразитные |
|||
колебания. |
Гидрофон |
типа |
1А |
||
имеет очень малую чувствитель |
|||||
ность. Некоторые более поздние |
|||||
конструкции гидрофонов, в |
ко |
||||
торых используется принцип под |
|||||
вижной |
катушки, |
управляемой |
|||
массой, имеют более высокую |
|||||
чувствительность в диапазоне |
от |
||||
—ПО до —120 дБ. На рис. 5.42 |
|||||
показано |
|
расположение магнита |
|||
и катушки гидрофона, изго |
|||||
товленного |
Бауэром, |
сотруд |
|||
ником |
Лаборатории |
радиове |
|||
щательной компании «Колумбия» Рис. |
5.42. |
Расположение ка |
||
(CBS) [27]. |
|
тушки |
и |
магнита в гидрофоне- |
Звуковое |
поле, |
показанное |
|
CBS. |
стрелками на |
рис. |
5.40 и 5.42, |
|
|
не является точным изображением поля вокруг гидрофона, ноими иллюстрируется в общем виде дополнительный акустический путь Ах (см. рис. 5.46).
312 |
Гл. V. Измерительные преобразователи |
На рис. 5.43 показана другая конструкция, предложенная Лесли и др. из Лаборатории военно-морского оружия (NOL) [28]. Сферическая оболочка этого гидрофона вместе с установ ленным внутри нее магнитом совершает колебания, тогда как
Рис. 5.43. Устройство гидрофона колебательной скорости NOL.
катушка удерживается неподвижно за счет инерции внутренней массы, которая приблизительно в 3 раза превышает массу вытесненной воды. При изготовлении гидрофона масса оболочки и магнита рассчитывается так, чтобы она равнялась массе вытесненной воды. В таком случае средняя плотность гидрофона равна плотности воды, а колебательная скорость сферы равна ■колебательной скорости частиц плоской звуковой волны в плос кости, проходящей через центр сферы. Следовательно, чувстви
5.12. Дипольные преобразователи |
313- |
тельность можно получить непосредственно из уравнений (5.15)
и (5.17):
e\p = BLjpc. |
(5.22) |
Резонансная частота системы, состоящей из внутренней массы и ее подвески, лежит ниже рабочего диапазона частот, так что эта система управляется массой. Следовательно, предпо ложение о неподвижности катушки, обусловленной инерцией,, справедливо.
5.12.2. Гидрофоны градиента давления
На рис. 5.44 изображен гидрофон, разработанный Бойером (опытовый бассейн Дэвида Тэйлора — DTMB) [29]. Конструк ция гидрофона DTMB подобна конструкции гидрофона колеба тельной скорости NOL (рис. 5.43). Средняя плотность обоих
Р и с. 5.44. Устройство гидрофона градиента давления DTMB.
гидрофонов равна плотности воды, поэтому их колебательная скорость равна колебательной скорости частиц жидкой среды или, более строго, средней колебательной скорости ча стиц в пределах длины гидрофона, т. е. 75 мм. У обоих гидро фонов на чувствительных элементах установлена внутрен няя масса, а по конструкции они являются типичными акселеро метрами. Однако гидрофон DTMB воспринимает колебания
314 |
Гл. V. Измерительные преобразователи |
с помощью пьезокерамического диска, помещенного между внешней оболочкой и внутренней массой. В результате этого чувствительность гидрофона DTMB по напряжению в свободном поле скорее пропорциональна градиенту давления, чем колеба тельной скорости.
Внутренняя масса m подвижна.. Она создает силу инерции F, воздействующую на пьезокерамический диск, который ведет себя подобно пружине. Сила F определяется формулой
F = m -^ -= т ш и , |
(5.23) |
где и — колебательная скорость массы. |
жесткой пружины |
Пьезокерамический диск играет роль |
с незначительной массой, резонансная частота которой выше рабочего диапазона частот. Тогда колебательные скорости внутренней массы, внешней оболочки и частиц среды в плоской
волне |
приблизительно одинаковы. |
Напряжение |
е на |
выходе |
|
пьезоэлектрического диска определяется формулой |
|
||||
|
|
e = g tS F , |
|
(5.24) |
|
где g — пьезоэлектрический |
модуль, t — толщина |
керамического |
|||
диска, |
5 — площадь диска. |
Из формул (5.16), |
(5.23) |
и (5.24) |
|
имеем |
|
gtSm |
dpi |
|
|
|
|
|
(5.25) |
||
|
|
р |
дх |
|
|
|
|
|
|
||
Таким образом, напряжение на выходе диска пропорционально градиенту давления. Используя соотношения (5.15), (5.16) и (5.25), получаем
е |
___ |
gtSma |
(5.26) |
|
Р |
~~ |
pc t ’ |
||
|
||||
т. е. что чувствительность по |
напряжению в свободном поле |
|||
пропорциональна частоте со. Чувствительность гидрофона DTMB показана на рис. 5.45.
Гидрофон градиента давления, разработанный Симсом из Лаборатории гидроакустических измерений ВМС (USRL), по казан на рис. 5.46. Тонкий диск из титаната-цирконата свинца приклеен к диафрагме, изготовленной из бериллиевой меди и установленной в вольфрамовой втулке. Разность давлений на двух сторонах диафрагмы приводит к тому, что диафрагма и диск начинают изгибаться. Диафрагма и пьезокерамический диск имеют одинаковую толщину и образуют друг с другом двухслой ный элемент. Отсюда следует, что диаметр пьезокерамического диска увеличивается в течение одного полупериода колебаний и укорачивается в течение второго. Вольфрамовая втулка служит
