5.2. Измерители глубин

5.2.1. Гидроакустические антенны

Излучение и прием акустических колебаний в гидроакустических приборах производится акустическими антеннами. Основным элементом антенн являются электроакустические преобразователи (вибраторы), обладающие способностью преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот. В антенне-излучателе электрические импульсы от специального генератора преобразуются в колебательное движение ее излучающей поверхности, которое передается водной среде. В антенне-приемнике принимающая поверхность под воздействием отраженной акустической волны совершает механические колебания, которые преобразуются в электрический сигнал.

В гидроакустических приборах применяют, главным образом, два типа электромеханических преобразователей: магнитострикционные и пьезоэлектрические. Оба упомянутых типа вибраторов являются обратимыми и с одинаковым успехом могут работать как в режиме излучателя, так и режиме приемника.

Магнитострикционные преобразователи. Изменение линейных размеров ферромагнитного образца при помещении его в магнитное поле называется прямым магнитострикционным эффектом (эффект Джоуля). Характер и степень деформации зависят от материала образца, способа его обработки, предварительного намагничивания и температуры. Эффект Джоуля обратим, т.е. всякий магнитострикционный материал, будучи намагничен, изменяет свое магнитное поле под действием механического напряжения. Это явление называется обратным магнитострикционным эффектом (эффект Виллари).

В качестве материала для гидроакустических преобразователей обычно используют никель, который обладает наиболее выраженной магнитострикцией. Пакеты вибраторов набирают из прямоугольных или кольцевых тонких пластин (0,1 мм) отожженного никеля. Пластины имеют вырезы (отверстия) и при наборе их в пакет образуются каналы, в которые укладывают обмотки - подмагничивающую и сигнальную. Через подмагничивающую обмотку пропускают постоянный ток для создания предварительного намагничивания всего пакета. Корпус вибратора устанавливают в прорези днища так, чтобы нижняя торцовая часть пакета располагалась заподлицо с обшивкой корпуса судна и соприкасалась с забортной водой.

Для получения прямого магнитострикционного эффекта через сигнальную обмотку вибратора-излучателя пропускают мощный импульс (пачку импульсов) переменного тока. Под действием переменного магнитного поля пакет никелевых пластин начинает совершать механические колебания с частотой переменного тока, протекающего по обмотке. Механические колебания вибратора передаются воде, что и приводит к образованию акустических волн.

Отраженная звуковая волна воздействует на рабочую поверхность вибратора в виде оказываемого ею переменного звукового давления. Вследствие обратного магнитострикционного эффекта возникает переменное магнитное поле, которое будет индуцировать в сигнальной обмотке переменную э.д.с. Частота принятого сигнала будет равна частоте звуковой волны.

Пьезоэлектрические преобразователи. Действие этих преобразователей основано на использовании пьезоэффекта, которым обладают некоторые естественные и синтетические материалы: кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.

Явление пьезоэффекта состоит в том, что при деформации сжатия или растяжения (в определенных направлениях) на поверхности кристаллов появляются электрические заряды, значение которых прямо пропорционально степени деформации, а их полярность зависит от знака деформации. Это явление получило название прямого пьезоэлектрического эффекта (открыто братьями Кюри в 1880 г.).

Если же такой кристалл поместить в электрическое поле, то он будет претерпевать деформацию, значение и знак которой зависят соответственно от напряженности электрического поля и его полярности - это обратный пьезоэлектрический эффект.

В настоящее время в качестве пьезоэлектрического материала широко применяется керамика титаната бария. Колебательная система вибраторов набирается из множества одинаковых пьезоэлектрических призм, закрепленных одним концом к стальной мембране. На поверхности призм нанесены (распылением) серебряные электроды, которые подсоединяются к источнику переменного тока. Благодаря обратному пьезоэффекту переменный ток вызывает продольные колебания призм. Они передаются мембране и через изолятор соприкасающейся с ней воде. Момент прихода отраженной звуковой волны фиксируется как возникновение электрического сигнала, поступившего с вибратора - прямой пьезоэффект.

Магнитострикционные преобразователи просты и надежны, способны формировать мощный акустический сигнал, но имеют невысокий к.п.д. и ограниченный верхний частотный предел - до 60 кГц. Пьезоэлектрические преобразователи имеют малые размеры и массу, обладают высокой чувствительностью и возможностью работы на высоких частотах, но сложны в технологии изготовления [6,7].