акустика / nagaenko_av_pezoelektricheskie_preobrazovateli

Эффективность ГАП в режиме излучения может быть определенна с помощью еще одного КПД, а именно акустико-механического ηам, который показывает эффективность ГАП с точки зрения преобразования энергии механических колебаний в энергию колебаний среды в которою осуществляется излучение

Из выражения (13) следует, что чем ниже сопротивление механических потерь тем выше акустико-механический КПД. Стоит отметить, что излучатели, работающие в жидких средах, имеют более высокие значения КПД (ηам=0,5÷0,8) по отношению к тем, которые работают в газовых средах поскольку в жидкостях rs>>rп.

Еще одним показателем эффективности излучателей является так называемый полный КПД ηэа, его еще также называют электроакустическим КПД, который определяется отношением излучаемой акустической мощности к мощности потребляемой от источника электрической энергии ηэа=Pa/Pэ.

Т.о. учитывая вышесказанное можно говорить, что превращение энергии в преобразователях, работающих в режиме излучения протекает последовательно электрическая энергия переходит в механическую, а

механическая переходит в акустическую:

(14)

Чувствительность ГАП в режиме излучения. Эффективность преобразователей в режиме излучения также можно оценить акустическому давлению р, которое они создают в точке при воздействии (подачи) на электрическую часть единичного напряжения u или тока I. Отношение создаваемого преобразователем давления к вызвавшего его напряжению или току (vu=р/и, vI=p/I) носит название чувствительности излучателя по напряжению или по току соответственно. Единицами измерения чувствительности являются Паскаль на Вольт (Па/В) или Паскаль на Ампер

(Па/А).

31

Точку, в которой измеряют давление, создаваемое излучателем,

выбирают по оси, на которой лежит максимум излучения.

Характеристики ГАП, работающих в режиме приема

Эквивалентная электромеханическая схема ГАП в режиме приема.

Для ГАП, работающих в режиме приема звуковое давление (поле) выступает в качестве источника энергии, которая воздействует на рабочую поверхность приемника с силой (движущая сила) Fэкв вызывая ее колебания.

Сила Fэкв зависит от звукового давления, которое воздействует на преобразователь и определяется соотношением:

(15)

где д – коэффициент дифракции, определяющий отличие фактического давления, действующего на приемную поверхность, от давления в свободном поле.

Когда приемник совершает колебания под действием силы Fэкв, то преобразователь работает как излучатель и испытывает со стороны среды соответствующую реакцию. Из теории излучения известно, что эта реакция характеризуется сопротивлением излучения zs, которое в общем случае является комплексным. Без учета реакции среды механическое сопротивление z преобразователя определяется его «собственными» параметрами— массой,

упругостью, сопротивлением потерь. При этом, т.е. в отсутствие колебаний,

сила звукового поля определяется давлением на поверхности заторможенного

преобразователя.

Исходя из структурной схемы преобразователя, соответствующей режиму приема (рис. 5), с учетом изложенного, представим эквивалентную схему приемника в виде последовательного соединения генератора с ЭДС Fэкв,

возбуждаемая звуковым давлением акустического поля, есть эквивалентная

32

сила. Она действует на заторможенный приемник и определяется характером колебаний и волновыми размерами приемной поверхности. Если последние малы и поверхность S совершает синфазные колебания, то Fэкв = pS, где р –

давление в падающей звуковой волне. В случае немалых волновых размеров на поверхности S будет возникать дифракция волн и сила Fэкв рассчитывается по формуле (15)

Рис. 8. Электромеханическая схема приемника [6]

Чувствительность ГАП в режиме приема. Эффективность осуществляемого приемником акустико-электрического преобразования оценивают чувствительностью приемника. Ее определяют как отношение напряжения холостого хода (ZH → ∞) их.х на выходе приемника к звуковому давлению р в свободном поле в точке нахождения приемника:

Если приемник нагружен на согласованное сопротивление ZH=Zi (Zi –

выходное сопротивление приемника), развиваемое им напряжение равно u=0,5uх.х. Следовательно, чувствительность приемника при работе на согласованную нагрузку будет вдвое меньше чувствительности при холостом ходе. Формулой (16) определяется стандартная чувствительность по полю.

Иногда чувствительность звукоприемников выражают не в абсолютных единицах, а в децибелах (дБ), принимая за эталонный уровень чувствительности v0=1 В/Па. Таким образом, чувствительность в децибелах – уровень чувствительности— определяется равенством vдБ = 20lg(v/vo).

33

Чувствительность приемника является функцией частоты. Когда частотная зависимость чувствительности имеет резонансный характер,

чувствительность приемника определяют на резонансной частоте, а ширину полосы – на уровне – 3 дБ (0,707 от чувствительности при резонансе).

Электрическая схема и чувствительность ГАП, работающего в

режиме приема. Приведем электромеханическую схему (рис. 8) к

электрической стороне, для чего пересчитаем силу и сопротивления с механической стороны. Согласно определению коэффициента n

u=F/n и, следовательно, приведенная к электрической стороне сила будет равна um=Fэкв/n. Величина um представляет собой эквивалентное напряжение,

вызванное действующей механической силой. Пересчет сопротивлений

Как и в случае электрической схемы излучателя (рис. 7) на электрической схеме приемника (рис. 9) в качестве сопротивлений показаны пересчитанные величины. Т.о. из рис. 9 видно, что полное выходное сопротивление ГАП в режиме приема складывается из трех сопротивлений

±iXo, R0, Zм. На разомкнутом выходе схемы (без нагрузки Zм) создается напряжение uх.х холостого хода.

Рис. 9. Электрическая схема приемника [6]

34

Построив электрическую схему приемника, можно рассчитать его чувствительность по полю. С целью упрощения расчетов пренебрежем влиянием сопротивления электрических потерь R0 ввиду его величины.

Допуская упрощение Fэкв=pS из электрической схемы приемника, можно

2+ 2 ± 0

Зная х.х определим чувствительность приемника

Чувствительность без учета знака, т.е. ее модуль определяется

Стоит отметить, что соотношение (18) учитывает реакцию возникающих электрических колебаний, которая входит в механическое сопротивление.

Чтобы произвести расчет чувствительности ГАП в режиме приема,

согласно соотношению (18), необходимо установить скорость, с которой колеблется его рабочая поверхность, а также привести на механическую сторону его сопротивление ±iXo

После чего рассчитаем ток в цепи приемника I=vn=pSn/ .

Перемножением тока на сопротивления, найдем напряжение холостого хода в цепи uх.х=±iX0I, т.е. получаем соотношение (18).

Чувствительность приемника, а также скорость колебаний рабочей поверхности имеют максимальные значения при равенстве нулю мнимой части импеданса Т.о. условием, при котором возникает резонанс в цепи приемника можно записать в виде:

Этот резонанс также называют электромеханическим, поскольку в (21)

входят как реактивное электрическое, так и механическое сопротивление. В

35

отличие от механического резонанса, который соответствует условию

хм=х+хs=0, электромеханический резонанс в соответствии с (21) способен быть как больше, так и меньше механического.

Модуль чувствительность при частоте электромеханического резонанса

При электромеханическом резонансе модуль чувствительности определяется | | = | 0| или принимая во внимание = [5]

где rsp и ηр — активное сопротивление излучения и акустико-механический коэффициент полезного действия на частоте резонанса ГАП, работающего в режиме приема.

Удельная чувствительность ГАП в режиме приема. Одной из главных характеристик ГАП в режиме излучения является его чувствительность. Согласно выражению (16), напряжение на выходе приемника (напряжение холостого хода) uх.x=vp, но даже при высоких значениях давления p оно не принимает высоких значений. Поэтому для стабильной работы сопутствующего ГАП аппаратуры необходимо увеличивать напряжение uх.x при помощи усилителя, который подключается в цепь вместе с трансформатором. При подключении к приемнику с выходным

сопротивлением Zi нагрузки Zн через трансформатор коэффициент трансформации N подбирается при одном условии, что эти сопротивления (Zi

и Zн) согласованны между собой. Сопротивления считаются согласованными

Следовательно, напряжение, действующее на нагрузке, которая была

согласованна будет пропорционально . . Исходя из вышесказанного

⁄√

можно утверждать, что еще одной мерой оценки эффективности ГАП,

работающих в режиме приема, является удельная чувствительность

Из (24) видно, что эффективней является тот приемник, у которого меньше внутреннее сопротивление при равности напряжений холостого хода.

Требования к гидроакустическим преобразователям

Технические характеристики (диапазон рабочих частот, излучаемая мощность, чувствительность, частота резонанса, габаритные размеры и т.п)

гидроакустических устройств таких как антенные решетки, гидрофоны,

эхолоты и т.д. определяют параметры, предъявляемые к ГАП.

Общим требованием к гидроакустическим устройствам работающих как в режиме излучения, так и в режиме приема является достижение максимальной эффективности. Например, для излучателей – обеспечивать максимум звукового давления в определенном направлении при минимуме потребляемой энергии, т.е. максимально высокий КПД, а для приемники должны иметь высокую чувствительность к звуковому давлению и обладать помехозащищенностью.

Еще одним примером общих требований к гидроакустическим устройствам являются надежность и долговечность. Под надежностью любого устройства принято понимать его способность исполнять свои основные функции при определенных условиях (рабочие нагрузки), сохранять основные параметры в течение заданного времени. Долговечностью устройства называют время его надежно работы, другими словами время, в

течение которого преобразователь сохраняет заданные характеристики.

37

Для обеспечения стабильной работы различных гидроакустических устройств необходимо использовать ГАП, в которых реализуются различные структуры механических (колебательных) систем, размеры, массы и т.д.

38

ГЛАВА 3. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Стержневые преобразователи

Уравнение движения стержневых преобразователей. Основу

колебательной механической системы пьезоэлектрического преобразователя

(ПЭП) представляет стержень изготовленный из пьезоматериала или кристалла (рис. 3, а) на торцах которого могут располагаться накладки, как с одной стороны (рис. 3, б), так и с двух (рис. 3, в).

Проанализируем совершаемые «свободным» стержнем колебания, для этого примем что его длина l значительно больше его толщины δ и ширины b

(рис. 10, а). Колебания в стержне могут возникнуть либо в результате обратного пьезоэффекта, либо под действием растягивающих и/или сжимающих внешних сил в направлении оси х. Если пьезоэлемент поляризован вдоль оси z, и к нему приложено переменное напряжение uз в

направлении поляризации, то в результате пьезоэффекта напряженность электрического поля Ез=uз/δ возбудит в нем колебания вдоль оси х. В том случае если на пьезокерамический стержень действует механическая сила,

вызывающая его растяжение или сжатие по оси х в нем индуцируется электрическое поля и разность потенциалов uз. И в первом и во втором случае направление возникающих колебаний и направление поля перпендикулярны друг другу, т.е. возникает поперечный пьезоэффект. Продольный пьезоэффект возможен в том случае если, когда направления возникающих колебаний направлены по полю, для этого электроды должны располагаться на торцах стрежня (рис. 10, б).

39

Рис. 10. Пьезокерамический стержень с использованием пьезоэффектов:

а) поперечного, б) продольного [4]

В первом случае (рис. 10, а) поперечные деформации очень малы, в

результате чего ими можно пренебречь и электрическое поле Ез=uз/δ, будет одинаковым по всей длине стержня. Поэтому будем рассматривать только механические напряжения σ1 распространяющиеся по оси х, которые, как и деформация Sl распределены вдоль нее неравномерно. Колебания стержня под воздействием механические напряжения σ1 и электрического поля Ез

описываются уравнениями:

Составим уравнение движения элемента длиной dx и площадью поперечного сечения А. Под действием напряжения σ1 левая грань элемента

сместится на расстояние ξ1 = ξ, а правая— на расстояние 2 = + .

40