§ 7. Излучение и прием акустических колебании

Гидроакустические преобразователи. Основой любого гидроакустического прибора является излучатель и при­емник акустических волн, называемый антенной, или вибрато­ром. При излучении в антенне происходит преобразование элек­трической энергии в механическую, когда под действием элек­трических импульсов возникают механические колебания излучающей поверхности антенны, передающиеся водной среде. При приеме в антенне в результате воздействия отраженной акустической волны возникают механические колебания си-Кстемы, преобразующиеся в электрический сигнал. ^3 Для изготовления гидроакустических антенн применяются «л магнитострикционные и пьезоэлектрические материалы, обеспе-\^чивающие наиболее эффективную передачу энергии в окружаю-РЪ щую водную среду. Антенны в зависимости от применяемого ма­териала называются магнитострикционными или пьезоэлектри­ческими. Одна и та же антенна может работать как в режиме излучения, так и в режиме приема, т. е. они являются обрати-мыми. Работа антенн основана на использовании магнитострик-ционного и пьезоэлектрического эффектов.

Магнитострикционный эффект. Магнитострикцией называется способность некоторых ферромагнитных материалов изменять свои линейные размеры под действием переменного магнитного поля. Такой эффект называется прямым магнито-стрикционным эффектом. Обратным магнитострикционным эф­фектом называется изменение магнитного состояния ферромаг­нитных материалов под воздействием механических сил.

Для антенн отечественного производства чаще всего исполь­зуются никель или сплавы железа с алюминием (алфер). В ан­теннах набирается пакет из тонких никелевых пластин, на ко-тором имеется обмотка. При прохождении по обмотке электри-ческого тока вокруг пластин создается переменное магнитное поле.

У ферромагнитных материалов наблюдается отрицательный эффект, так как под воздействием переменного магнитного поля они уменьшают свои линейные размеры. Изменение длины ни- келевых пластин незначительно и составляет стотысячные доли : их первоначальной длины. Направление изменения длины не зависит от направления магнитного поля, поэтому период меха­ нических колебаний пластин в два раза больше, периода маг­ нитногЕсли в антеннах применяется предварительно намагничен­ный никелевый пакет с амплитудой, которая больше амплитуды переменного магнитного поля, то в этом случае периоды коле­баний будут равны (рис. 8, б). Если на антенну поступит отра­женная акустическая волна, то линейные размеры пластин уменьшатся на величину А/. Изменение длины пластин происхо­дит с частотой действующих на антенну звуковых волн. При уменьшении длины пластин напряженность возрастает на вели­чину АО. При изменении напряженности магнитного поля в об­мотке антенны индуктируется переменная ЭДС. Частота элек­трических колебаний равна частоте механических. Обратный

Рис. 8. Магнитострикцирнный эффект:

а — изменение длины пластин; б — изменение длины пластин при их намагничивании

магнитострикционный эффект может возникнуть только в том случае, если пакет антенны будет предварительно намагничен. В рыбопоисковой аппаратуре японского производства для аку­стических антенн применяются ферриты, представляющие собой химические соединения окиси железа Рб2Оз с окисями других металлов. Некоторые ферриты обладают значительной магнито-стрикцией. Синтез поликристаллических ферритов осуществля­ется по технологии изготовления керамики.

Пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрическим эффектом называется возникновение электрических зарядов на поверхности кристаллов под действием механических сил (па­дающая акустическая волна) или появление деформации кри­сталлов под действием переменного электрического поля.В пер­вом случае эффект называется прямым, а во втором случае — обратным. Материалы с хорошо выраженными пьезоэлектриче­скими свойствами называются пьезоэлектрическими. Это при­родные или искусственно выращенные монокристаллы. К ним относятся кварц, сегнетова соль, дигидрофосфат аммония, суль­фат лития и др. К пьезоэлектрическим материалам относятся и

пьезокерамика, являющаяся поликристаллическим веществом, состоящим из отдельных кристаллов. Наибольшее применение в гидроакустике получили группа титаната-цирконата свинца ЦТС (Р2Т) и титанат бария (ТБ-1).

Изготовление пьезокерамики разделяется на несколько эта­пов. Для синтеза заданного соединения исходное сырье раз­мельчается и подвергается термической обработке при 1= =900-ь1300°С. Из синтезированного порошкообразного мате­риала прессованием получаются заготовки необходимой конфи­гурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу. Пьезоэлементы имеют форму стержней или призм. Затем на пьезоэлементы наносятся электроды, к ко­торым подводится напряжение от 0,5 до 3 кВ/мм для поляриза­ции керамики. Поляризация сохраняется и после прекращения действия электрического поля.

Из отдельных объединенных в группы пьезоэлементов изго­товляются антенны гидроакустических приборов. При воздей­ствии на антенну отраженных волн с ее электродов снимаются электрические сигналы (прямой пьезоэффект). При поступле­нии на электроды антенны переменного напряжения возникает деформация пьезоэлементов (обратный пьезоэффект), которые начинают изменять свои линейные размеры с заданной часто­той, — образуются акустические волны. На рис. 9 показан ме­ханизм пьезоэффекта на примере элементарной ячейки кварца, содержащей три молекулы 5Ю₂. При сжатии вдоль оси X на электродах возникают электрические заряды (на электроде Л— отрицательные, а на В — положительные). При растяжении знаки зарядов на электродах становятся противоположными.

К преимуществу магнитострикционных систем относится их прочность, а также то, что они не требуют герметизации. Маг-нитострикционные преобразователи работают только на часто­тах до 100 кГц, а некоторые магнитострикционные антенны имеют невысокий (30—40 %) коэффициент полезного действия, что является их недостатком.

Пьезоэлектрические преобразователи могут работать на более высоких частотах, они обладают большей чувствитель­ностью по сравнению с магнитрстрикционными преобразовате­лями, кроме того, КПД пьезоэлектрических антенн значительно больше КПД некоторых магнитострикционных антенн и дости­гает 70—80 %. К недостаткам пьезоэлектрических антенн относятся сложная технология изготовления и меньшая проч­ность.

Направленность антенн. Способность излучать (при­нимать) звуковые волны в одних направлениях в большей сте­пени, чем в других, называется направленностью. В режиме из­лучения направленность определяется интерференцией коге­рентных звуковых колебаний, приходящих в данную точку среды от гидроакустической антенны. В режиме приема направле

-,_-

Рис. 9. Пьезоэлектрический эффект:

а — недеформированное состояние; б — сжатие вдоль оси XX; в • растяжение вдоль оси XX; 1,2 — молекулы 512, О₂

ность вызывается интерференцией давлений на поверхность при­емной антенны.

Направленность антенн при излучении и приеме описыва­ется чаще всего двумя параметрами: характеристикой направ­ленности и коэффициентом направленного действия О. Харак­теристика направленности может быть представлена в полярной или прямоугольной системе координат (рис. 10). В этом случае аргументом характеристики направленности является угол на­правленности, отсчитываемый от направления максимального излучения. На рис. 10 антенна длиной / излучает акустические волны в различных направлениях. Линии ОС, ОО — акустиче­ские лучи. В некоторую точку С колебания от антенны прихо­дят в одной фазе (так как они проходят одинаковое расстоя­ние)^ происходит сложение волн. По линии ОС интенсивность волн будет максимальной. При отклонении акустического луча от нормали интенсивность уменьшается, так как фазы колеба­ний не равны. При отклонении акустического луча на угол а<> разность хода волн из точек А и В становится равной '/2^ и аку­стические волны в точку О приходят в противофазе и взаимно компенсируются. Из ААВР определяется значение угла направ­ленности: 5Ш а₀=АР/АВ = 0,5Х/0,Ы=К/1. Таким образом, длина волны и размеры антенны определяют величину угла ао, т. е. направленность излучателя. В результате акустические волны в водной среде распространяются в некотором конусе, где со­средоточена их основная энергия. При дальнейшем отклонении луча от нормали разность пройденного акустическими волнами расстояния возрастает и при некотором значении достигает ве­личины Я. При сложении образуются боковые максимумы, или

Рис. 10. Диаграмма направленности в координатах:

а —полярных; б —прямоугольных

боковые лепестки. Как видно из диаграммы, у антенны может быть несколько боковых лепестков, их интенсивность невелика, однако они являются причиной помех при приеме полезных сиг­налов.

Направленность является основной характеристикой гидро­акустических антенн. Ширина характеристики направленности— это ширина главного максимума, определяемого при значении С = 0,7 (ширина по уровню 0,707).

Глава И. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ