книги из ГПНТБ / Орлов Л.В. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций

дальности действия аппаратуры L, углов и периодов качки судна — (3 и Т.

На рис. 72 приведена номограмма для расчета пло­ щади поверхности, облучаемой конусной характеристи­ кой направленности в плоскости, перпендикулярной распространению волн, для некоторых значений углов раствора 20о характеристики направленности и даль­ ности действия L,

В табл. 9 и 10 соответственно приведены периоды качки Т и метацентрические высоты Н для некоторых типов рыбопромысловых судов.

152

Т а б л и ц а 10

З н а ч е н и е н а ч а л ь н ой м е т а ц е н т р и ч е с к о й в ы с о т ы с у д н а , м

В табл. 11 помещены справочные данные о рас­ стояниях, проходимых судном в единицу времени в за­ висимости от скорости его хода.

153

Глава VII

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Функции трансформации акустической энергии в электрическую и обратно непосредственно выполняют электроакустические преобразователи, из которых со­ ставляются антенны. В гидроакустической технике из­ вестны преобразователи, работа которых основана на различных физических принципах, однако наибольшее распространение в интересующем нас диапазоне частот в силу высокой эффективной и конструктивных удобств получили пьезоэлектрические и пьезомагиитные (магнитоетрикционные) преобразователи.

ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Принцип работы пьезоэлектрических и пьезомагнит­ ных преобразователей основан на использовании свойств элементов, изготовленных из пьезоэлектрически или пьезомагнитно активных веществ, изменять свои разме­ ры под воздействием соответственно электрической или магнитной составляющей электромагнитного поля. На­ оборот, изменение размеров таких элементов при дейст­ вии внешних сил приводит к образованию электрической энергии.

Известно большое количество веществ и материалов, обладающих пьезоэлектромагнитными свойствами, од­ нако н.е все пригодна! для изготовления гидроакустичес­ ких преобразователей: одни, например ранее применяв­ шийся кварц, — из-за малой величины пьезоэффекта, другие, хотя и обладающие большим пьезоэффектом, например сегнетова соль (калиевонатриевая соль винно­ каменной кислоты), — из-за хрупкости, гигроскопичности

иограниченного температурного диапазона.

Вгидроакустике наибольшее распространение полу­ чили преобразователи из пьезокерамики — материала, об­ ладающего высоким пьезоэлектрическим эффектом, до­ статочно большой прочностью, допускающего прессова­ ние деталей практически любой формы, немагнитного. Из пьезомагнитных материалов высокой эффектив­ ностью обладают ферриты, никель, пермендюр.

154

Исторически сложилось так, что в гидроакустике при­ менялись сначала преобразователи из кварца и никеля. В настоящее время кварц уже не используется для изготовления электроакустических преобразователей, никель же продолжают для этой цели применять.

Геометрически пьезсгпреобразователи обычно пред­ ставляют собой стержни, пластины, цилиндры, сферы. Особенностью пьезоэлектрических преобразователей является наличие токоведущих электродов, к которым прикладывается напряжение от возбуждающего генера­ тора. В приемном режиме с электродов снимаются для подачи к усилительному тракту электрические заряды, возникающие от воздействия звукового давления. У пьезомагнитных преобразователей для описанных целей служит обмотка из изолированного электропровода, рас­ полагающаяся вокруг тела преобразователя в специаль­ ных окнах или каналах наподобие того, как это выпол­ няется в обычных трансформаторах электроэнергии.

Пьезоэлектрические и пьезомагнитные вещества об­ ладают анизотропией свойств. Пьезоэлектрические и пьезомагнитные свойства описываются с помощью ди­ электрических (магнитных) и упругих постоянных и пьезоэлектрических (пьезомагнитных) модулей. В об­ щем случае эти постоянные предсталяют в виде матри­ цы, содержащей до 45 коэффициентов: 21 постоянную гибкости Sf- (величина, обратная модулю упругости

Юнга), 6 диэлектрических efm (магнитных nfm) прони­

цаемостей, 18 пьезомодулей dih. Индексы Е и Т означа­ ют, что коэффициенты определены при постоянстве элек­ трического поля или упругих напряжений, соответствен­ но, индексы г, }, in, k — направления, для которых опре­ делены коэффициенты. Пьезомодули — постоянные, оп­ ределяющие величину деформации, возникающей в сво­ бодном кристалле в зависимости от величины прило­ женного электрического (магнитного) поля.

Большинство пьезоактивных материалов может быть охарактеризовано существенно меньшим количеством постоянных. Пьезокерамике, например, присуща ради­ альная поляризация, так что для ее характеристики до­ статочно знать три пьезомодуля: продольный йзз харак­ теризует эффективность колебаний в направлении, параллельном электрическому (магнитному) полю, по­ перечный ds\ — в направлениях, перпендикулярных на-

155

Правлению поля, и сдвиговый rfis. У пьезомагнитных материалов практически достаточно знать продольный пьезомодуль о?33, так как в других направлениях пьезо­ эффект интересующих нас преобразователей мал.

Детали для пьезокерамических преобразователей из­ готовляют путем обжига соответствующего материала под давлением (в прессформах). После обжига размеры деталей доводят до заданных шлифованием. В необхо­ димые поверхности вжигают серебряные электроды. Затем пьезоэлементы подвергают поляризации в посто­ янном поле напряженностью 10—20 кВ/см. Из получен­ ных таким образом пьезоэлементов собирают пьезокера­ мические преобразователи.

Феррит для пьезомагнитных преобразователей изго­ товляют аналогичным описанному образом. Магнитную же поляризацию обычно осуществляют введением в магнитопровод (в одно из его сечений) постоянного магнита.

Металлические .пьезомагнитные преобразователи из никеля собирают (с целью уменьшения потерь на вих­ ревые токи) из отожженных тонких пластин и из них составляют пакет заданной формы. Поляризацию обыч­ но осуществляют при помощи постоянного тока подмагничивания, который пропускают по обмотке преобразо­ вателя.

Физика колебательных движений пьезомагнитного преобразователя такова, что он реагирует только на аб­ солютную величину магнитного поля, но не на его знак. Вследствие этого излучающий преобразователь без до­ полнительной поляризации за положительный и отрица­ тельный полупериод магнитного поля меняет размер от максимального до минимального дважды, т. е. колеблет­ ся с удвоенной частотой. В случае наличия постоянного поляризующего поля, при котором в сумме с переменным знак общего поля не меняется на обратный, колебания пьезомагнитного преобразователя и в излучении и в приеме совершаются с частотой поля.

Пьезоэффект у пьезоактивных материалов зависит от температуры. Он исчезает с превышением определенной температурной границы, называемой точкой Кюри, при которой происходит разориентация осей доменов. У многих материалов пьезосвойства восстанавливаются с понижением температуры, для восстановления пьезоэф­ фекта у пьезокерамики необходима повторная поляриза­

156

ция. Характеристика пьезоэлектрических, пьезомагнит­ ных и упругих свойств различных материалов, с которы­ ми можно встретиться при работе с преобразователями, дана в табл. 12, 13, а условные обозначения приведены ниже.

пендикулярном направлению поляризующего (индекс 1) поля и совпадающим с ними (ин­ декс 3);

I)— электрическая индукция;

Е—'напряженность электрического поля; du, d33 — поперечный и продольный пьезомодули;

магнитострикционная постоянная;

Е?ю , о>^зюа —упругие модули Юнга в поперечном и про­

дольном к поляризующему полю направлениях; Q - механическая добротностьматериала;

е/ео, р/ро - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости;

р — плотность материала;

А/

~г~ - уход резонансной частоты в температурном

'Р

диапазоне;

tg 6 — тангенс угла электрических потерь;

— температура точки Кюри, ближайшей по рабо­

чему диапазону; Яопт — оптимальная напряженность подмагничиваютде-

го поля.

Индексы Е и D означают постоянство электрических напряжен­ ности поля и индукции. При продольном пьезоэффекте параметры с индексом Е соответствуют режиму излучения, с индексом D — ре­ жиму приема. Верхние цифры в графах таблиц относятся к системе СИ, нижние — к системе СГС.

ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

Метод электродинамических аналогий. Для расчета параметров преобразователей применяют метод электро­ динамических аналогий, основанный на тождественном характере уравнений, описывающих колебания в элек­ трических цепях, и механических систем.

Так, уравнение для электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных индуктивности L, емкости Сэ, активного сопротивления R и генератора, развива­ ющего э. д. с. u0eiat, в соответствии с законом Кирхгофа имеет вид

157

8„, — (СИ) = 4я 9 •109 ед. СГСЕ.

г; в головке табл. 12 и 13 для всех параметров приведены единицы измерения в системах СИ и СГСЕ

Т а б л и ц а 13

или

Аналогично, колебания механической системы, состо- ’ ящей из массы иг, гибкости См, трения г и механическо­ го генератора, развивающего силу F0e могут быть описаны уравнением

где v — колебательная скорость; | — смещение.

Можно усмотреть следующую аналогию между элек­ трическими и механическими (акустическими) парамет­ рами; масса эквивалентна индуктивности, гибкость — емкости, трение — активному электрическому сопротив­ лению, вынуждающая сила — электрическому напряже­ нию, колебательная скорость — току, смещение — заряду.

1GO

Используя эти аналогии, механические системы мож­ но символически представлять в виде эквивалентных электрических схем, для которых оказываются справед­ ливыми все известные методы расчета электрических цепей.

Основные правила составления эквивалентных схем следующие:

механическая система, состоящая из двухполюсников с одинаковой колебательной скоростью концов, изобра­ жается последовательной комбинацией электрических аналогов;

механическая система, состоящая из двухполюсников, развивающих на концах одинаковые усилия, изобража­ ется параллельной комбинацией электрических ана­ логов;

если движение одной части механической системы сообщается другой ее части через двухполюсник, пред­ ставляющий собой гибкость или трение, то электричес­ кий, аналог этого двухполюсника включается параллель­ но аналогам упомянутых частей системы. Устранение шунта из схемы соответствует возникновению жесткой механической связи, т. е. 'равенству колебательных ско­ ростей (электрических токов) жестко связанных концов механических элементов;

если ужесточение двухполюсника, представляющего гибкость или трение, приводит к невозможности движе­ ния связанного с ним элемента, электрический аналог этого двухполюсника должен быть включен с аналогом заторможенного элемента последовательно.

На рис. 73 показаны примеры построения эквивалент­ ных электрических схем простейших механических си­ стем, состоящих из различным образом сочетающихся элементов массы, гибкости и трения. Штриховкой симво­ лически обозначена абсолютно жесткая опора. Эквива­ лентная схема, изображенная на рис. 73, в, является аналогом механической части простейшего электроаку­ стического преобразователя.

Для полной характеристики электроакустического преобразователя в эквивалентной схеме необходимо от­ разить электрическую сторону.

Приводимые ниже эквивалентные схемы цилиндри­ ческих и стержневых преобразователей построены на основании анализа уравнений, описывающих пьезоэф-

фект. На рис. 74 изображена эквивалентная схема цилин­ дрического преобразователя. Левая (электрическая) и правая (механическая) части связаны через электроме­ ханический трансформатор с коэффициентом электроме­

дуктивностей и резисторов, предназначающихся в случае необходимости для цепей согласования преобразователя с электронным трактом. Естественно, что, изображая эквивалентную схему собственно пьезоэлектрического преобразователя, включать в нее индуктивность не нуж­ но, аналогично не нужна в схеме электрическая емкость для характеристики пьезомагнитного преобразователя.

В правой части ш, См, RMn обозначают массу и гиб­ кость преобразователя и сопротивление механических потерь; Rs и Xs известные нам (см. главу V) активная и реактивная части собственного сопротивления излуче-

162