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

При этом оказывается, что по среднему периметру должна укладываться длина волны (в материале ци­ линдра) :

Максимум проводимости стержневого преобразовате­ ля (без накладок), соответствующий максимуму скоро­ сти (тока через сопротивление нагрузки), возникает, если

(VII—26)

Это выполняется при условии

Ыл 2я+ 1

(VII—27)

где п = 0, 1. 2, 3, 4, ... .

Видим, что в стержневом преобразователе возможно возбуждение нечетных гармоник. Для возбуждения ос­ новного резонанса в соответствии с выражением (VII— 27) должно выполняться равенство

X

(VII—28)

2 ’

где I — длина стержня;

X — длина волны в материале стержня.

Рассмотренные частоты механического резонанса (соответствующие режиму излучения) отличаются от резонанса в режиме приема (электромеханического ре­ зонанса), смещающегося за счет воздействия электри­ ческих параметров преобразователя у пьезоэлектриче­ ских преобразователей в область высоких частот, у пьезомагнитных в область низких. Смещение электро­ механического резонанса обычно не превышает 10% от /р.

ВЫБОР ТИПА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ПОРЯДОК РАСЧЕТА

Исходные данные. Исходные данные для проектиро­ вания электроакустических преобразователей, которые должны указываться в техническом задании па разра­ ботку, следующие:

диапазон рабочих частот, резонансная частота и до* пуск на ее отклонение, частотные характеристики;

173

характеристика направленности (методы расчета см. главу I), размеры излучающей (приемной) поверхности, определяемые требованиями расположения в антенне; развиваемое звуковое давление, излучаемая акусти­ ческая мощность, подводимая электрическая мощность, коэффициент полезного действия, допустимое электри­ ческое напряжение (ток для пьезомагнитных преобразо­ вателей), длительность импульса, гидростатическое дав­

ление; активное (ваттное) сопротивление и емкость (ин­

дуктивность для пьезомагнитных преобразователей); чувствительность в режиме холостого хода.

Расчет электроакустических параметров преобразова­ теля целесообразно вести в порядке, определяемом по­ следовательностью изложения материала в последующих двух разделах настоящей главы, и пользуясь рекоменда­ циями настоящего раздела и данными по конструктив­ ным особенностям, изложенными в разделе «Конструк­ тивные особенности гидроакустических антенн и преобра­ зователей» главы X.

Направленность и расположение в антенне. Расчет преобразователя начинают с выяснения ряда вопросов, определяющих его тип. Производится выбор геометрии из условий максимальной простоты конструкции примени­ тельно к конкретному случаю (удобство компоновки в антенне, широкополосность, частотный диапазон, излу­ чаемая мощность). Затем решается вопрос о наружных размерах преобразователя, определяющих собственную направленность, в том числе и при расположении в ячей­ ке, отведенной для его установки в антенне.

Применение цилиндрических преобразователей целе­ сообразнее в низкочастотной РПА (ниже 30—40 кГц). Идентичные по параметрам цилиндрические преобразо­ ватели в силу особенности их конструкции на более вы­ сокие частоты, тем более секционированные, выполнить трудно. Поэтому для антенн, работающих в частотном диапазоне выше 30—40 кГц, предпочтительнее стержне­ вые преобразователи.

Стержневые преобразователи, естественно, могут быть применены и на более низких частотах, однако изза увеличения резонансного размера частоты ниже 7— 10 кГц вряд ли можно считать для них рациональными в РПА. Частотная полоса пропускания цилиндрических

374

преобразователей (примерно 20—30%), обычно шире, чем стержневых, у последних она составляет примерно

3— 15%.

Как цилиндрические, так и стержневые преобразо­ ватели можно компоновать в многоэлементные скани­ рующие и компенсированные антенны, использовать их в качестве облучателей рефлекторных антенн, измеритель­ ных излучателей и гидрофонов. Цилиндрические преоб­ разователи удобны также в составе линейных антенн, предназначенных для всенаправленного азимутального облучения (приема).

При проектировании антенн с компенсацией или ска­ нирующих, составленных из резонансных цилиндричес­ ких преобразователей и выполненных из пьезоматериа­ лов с высокой скоростью распространения звука, воз­ можно возникновение противоречия в размерах: с одной стороны, диаметр резонансного цилиндрического преоб­

разователя должен быть равным — , с другой, во избе-

в пределах 0,5—0,7Xq, при больших расстояниях у пло­ ских антенн сокращается сектор сканирования.

В связи с этим могут быть применены различные спо­ собы компоновки цилиндрических преобразователей в антенне: вертикальное соосное расположение цилиндров (рис. 83, а, б), вертикальное расположение со смещени­ ем (рис. 83, в), горизонтальное расположение, также и со смещением (рис. 83 г — е). Аналогичные компоновки цилиндрических преобразователей возможны не только по плоской поверхности, но и по поверхности с кривиз­ ной, например, цилиндрической формы. Таким же обра­ зом можно размещать в антенне и стержневые преобра­ зователи. Существенным отличием их комповки явля­ ется отсутствие требования конкретного размера вдоль раскрыва антенны из условия обеспечения резонанса, так как резонансный размер стержневого преобразова­ теля ориентируется в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности антенны.

Взаимодействие. Решая вопрос о размерах излуча­ ющих (приемных) поверхностей преобразователей и рас­ стояниях между ними, следует учитывать условия, могу­

175

щие привести к возникновению взаимодействия состав­ ляющих антенну преобразователей по полю (см. раздел «О взаимном сопротивлении излучения» главы V). Взаи­ модействие следует стремиться свести к минимуму. Для этого волновые размеры излучающей (приемной) по­ верхности каждого преобразователя из группы несин-

аб

Q

Рис. 83. Возможные варианты компоновки преобразователей в антенне.

фазно возбуждаемых нужно выбирать по возможности большими или располагать преобразователи на рассто-

К Л

яниях— , где л0 — длина волны в воде.

Нужно также учитывать возможность взаимодейст­ вия по элементам конструкции или через электроизоля­ ционную жидкость, заполняющую корпус антенны, через боковые поверхности преобразователей. В связи с этим целесообразно стремиться выбрать геометрию таким образом, чтобы излучение (прием) боковыми поверхно­ стями было мало, чему способствует уменьшение нере­ зонансных размеров (поперечного сечения стержней, вы­ соты цилиндров), ориентация в боковых направлениях колебаний на основе поперечного пьезоэффекта, приме­ нение в необходимых случаях экранирования и развязок.

Размеры и форма. Для обеспечения превалирующих колебаний в направлении излучающей (приемной) по­ верхности геометрические размеры преобразователя должны быть выбраны таким образом, чтобы исключа­

176

лись резонансные колебания в иных направлениях, так как в противном случае возможно изменение характера вибрации из-за завязки колебаний по различным на­ правлениям. Так, у стержневого преобразователя резо­ нансная высота должна быть, по крайней мере, в 1,5— 2 раза больше любого размера по поперечному сече­ нию. Аналогичным образом устанавливается высота ци­ линдрического преобразователя, работающего на ра­ диальной колебательной моде. Резонансные размеры находят с помощью условий и формул, приведенных на стр. 172— 173.

Затем устанавливают форму поперечного сечения, необходимость накладок, соотношение сечений накладок и керамики, материал накладок. Эти элементы опреде­ ляют из требований полосы пропускания, входного со­ противления, мощности, чувствительности и конструк­ тивных особенностей антенны, ориентируясь по соотноше­ ниям, приведенным для соответствующих параметров в разделе «Пьезоэлектрические преобразователи» настоя­ щей главы. Стержневые преобразователи (рис. 84, и, к)' могут быть снабжены одной или двумя накладками. В некоторых случаях антенну удобнее составить из меха­ нически не связанных цилиндров или стержней, в других оказывается целесообразным объединить стержни об­ щей накладной (рис. 84, л). В случае синфазного воз­ буждения преобразователей с общей накладкой расчет их параметров можно проводить, как для дискретной антенны.

Полоса пропускания стержневого преобразователя тем шире, чем легче (в определенных пределах) мате­ риал накладки, меньше ее толщина и больше отноше­ ние сечений накладки и активного материала. Однако следует иметь в виду, что если отношение указанных сечений оказывается примерно больше двух, а толщина

накладки меньш е-^, в последней могут возбудиться

40

нежелательные изгибные колебания.

Для устранения перепада механических напряжений на границе металл — керамика сопрягающуюся с кера­ микой часть накладки желательно делать одинакового с керамической частью сечения, перенося уступ в тело

177

ным построение преобразователя с резко асимметричны­ ми по массе накладками на противоположных торцах. Одну из накладок делают значительно массивнее. Такая

Рис. 84. Различные типы преобразователей:

с и с п о л ь з о в а н и е м п о п е р е ч н о г о п ь е з о э л е к т р и ч е с к о г о э ф ф е к т а : а, б — с п л о ш н ы е ц и л и н д р и ч е с к и е ; д , е— с п л о ш н о й и с е к ц и о н и р о в а н н ы й с т е р ж н е в ы е ;

с и с п о л ь з о в а н и е м п р о д о л ь н о г о п ь е з о э л е к т р и ч е с к о ­ г о э ф ф е к т а : в — с е к ц и о н и р о в а н н ы й ц и л и н д р и ч е ­ с к и й ; ою, з — с п л о ш н о й и с е к ц и о н и р о в а н н ы й с т е р ­ ж н е в ы е ; и, к, л — с е к ц и о н и р о в а н н ы е с т е р ж н е в ы е

сн а к л а д к а м и ;

п ь е з о м а г н и т н ы е ; г — ц и л и н д р и ч е с к и й ; м — с т е р ­ ж н е в о й с п о с т о я н н ы м м а г н и т о м .

асимметрия позволяет перераспределить амплитуды колебаний торцов таким образом, чтобы обеспечивалось преимущественное излучение (прием) в одном направле­ нии. Выбирая материал накладки для пьезоэлектричес­ кого преобразователя, следует помнить, что этот мате­

178

риал должен иметь близкий к керамике коэффициент линейного температурного расширения. В противном случае возможны сколы пьезокерамики. Наиболее хоро­ шо сочетаются с пьезокерамикой титан, стали Ст. 35 и Ст. 10. При необходимости использования иных мате­ риалов в сочетании с пьезокерамикой, например дюр­ алюминия, нержавеющей стали, латуни, между керами­ кой и этим материалом следует помещать прокладку из выше названных металлов для снятия температурных напряжений в местах соприкосновения материалов с разными коэффициентами расширения.

Выбор пьезоактивного материала. Далее решают вопрос об активном материале. В большинстве случаев, естественно, лучше выбирать наиболее эффективный ма­ териал с возможно меньшей скоростью звука в нем. Так, из пьезоэлектрических материалов лучше использо­ вать керамику на основе цирконата титаната свинца с максимальным пьезомодулем. Это позволяет умень­ шить напряжение возбуждения, резонансные размеры и входное сопротивление и увеличить чувствительность (см. табл. 12). Использование пьезокерамики с большим коэффициентом электромеханической связи приводит, однако, к заметному сдвигу частот механического и электромеханического резонансов. Это следует учиты­ вать при определении чувствительности либо в необходи­ мых случаях применять корректирующие электрические цепи.

Иногда (для высокочастотных антенн) может ока­ заться более удобным использовать материал с повы­ шенной скоростью звука для того, чтобы размеры пре­ образователей были не слишком малыми, так как по­ следнее может оказаться неудобным с точки зрения кошструкторско-технологической.

Тип пьезоэффекта, секционирование и напряжение возбуждения. Пьезоэлектрические преобразователи мо­ гут быть рассчитаны на работу с использованием про­ дольного или поперечного пьезоэффекта. В первом слу­ чае направление колебаний (резонансный размер) совпа­ дает с направлением электрического поля (колебания в направлении, параллельном нормали к электродам), во втором оно перпендикулярно направлению электричес­ кого поля. Из табл. 12 видно, что эффективность пьезо­ материалов при продольном пьезоэффекте (см. величины

179

пьезомодулей) выше, чем при поперечном, в связи с этим использование продольного пьезоэффекта предпоч­ тительнее. Однако при проектировании преобразователя, рассчитанного на работу с использованием продольного пьезоэффекта, часто встречаются с конструкционными за­ труднениями, связанными с секционирование^ (рис. 84, в) цилиндрических преобразователей и низкочастот­ ных стержневых, имеющих большой резонансный раз­ мер (рис. 84, з, и, к). (Здесь мы рассматриваем пульси­ рующие цилиндрические и полуволновые стержневые преобразователи. Путем изменения включений и направ­ лений поляризации отдельных секций возможно воз­ буждение таких преобразователей на иных колебатель­

ных модах).

Сборка преобразователей из призм осуществляется обычно путем склейки эпоксидными смолами (ДМ5-65, ПД--20). При сборке надо иметь в виду, что призмы имеют однозначное направление поляризации. Для по­ лучения секционированных преобразователей, работа­ ющих на основных резонансных модах, при склейке призмы следует стыковать одноименно поляризованными электродами. Преобразователи с нарушенной поляр­ ностью могут иметь иные резонансные частоты, ряд ре­ зонансов, малую эффективность.

С выбором пьезоэффекта и секционированием тесно связаны энергетические характеристики преобразовате­ ля. Дальнейший ход расчета заключается в определении величины возбуждающего напряжения по заданным из­ лучаемой акустической мощности или давлению. Если величины напряжения возбуждения оказываются недо­ пустимо большими, используют продольный пьезоэф­ фект, материал с более высоким пьезомодулем или осу­ ществляют секционирование преобразователей. Введе­ нием секционирования преследуют цель повышения ко­ эффициента электромеханической трансформации, имеющего место в случае уменьшения расстояния меж­ ду электродами при одинаковых поперечных сечениях^. Однако секционирование снижает величину абсолютной -чувствительности, повышает ток, поэтому чрезмерное увеличение количества секций нежелательно.

При секционировании нужно также помнить о необ­ ходимости выполнения требований по омическому (ват­ тному) сопротивлению и емкости. Слишком малые и

180

большие величины ваттного сопротивления ведут соот­ ветственно к увеличению тока и напряжения, а малые емкости — к потере энергии за счет возникновения нера­ ционального деления на емкостных сопротивлениях пре­ образователя и кабеля.

Секционирование приводит к некоторому изменению резонансной частоты преобразователей. Наиболее суще­ ственно это сказывается на резонансной частоте про­ дольно секционированных стержней. Причины, вызыва­ ющие изменение частоты резонанса, заключаются в ином характере распределения вдоль стержня электрических и механических напряжений.

Как продольносекционированные, так и несекционированные преобразователи могут снабжаться различны­ ми элементами крепления. В качестве крепленая продольносекционированных стержней во многих случаях может быть использована металлическая прокладка, вклеиваемая в центральное сечение в узле смещений

(см. рис. 106, г).

Стержни, работающие на поперечном пьезоэффекте, иногда укрепляют за наклеенные с боковых сторон пла­ стины (см. рис. 106, е). Эти элементы крепления также изменяют частоту резонанса. Учесть изменение можно с помощью формул, приведенных в главе Х[(Х—3) — (X—5)].

Прочность. После уяснения разобранных вопросов необходимо рассмотреть прочностные возможности из­ лучающих преобразователей. Статическая прочность — сопротивлений разрыву от постоянного растягивающего усилия — пьезокерамики и феррита не превышает при­ мерно 800 кгс/см2 (7,8- 107= Н /м 2), а динамическая — со­ противление воздействию знакопеременного механичес­ кого напряжения — не более 100 кгс/см2(9,8- 106= Н /м 2) . Прочность преобразователя снижается при наличии пор, микротрещин, непроклеенных мест в соединительных швах, острых граней, резких перепадов поперечных се­

чений.

При проектировании преобразователей необходимо ограничивать удельную акустическую мощность, а при изготовлении — обращать тщательное внимание на каче­ ство пьезоэлементов и сборки, применяя в необходимых случаях испытания в форсированном режиме. Прочно­ стные возможности монолитных преобразователей выше,

18!

чем секционированных. С достаточной степенью вероят­ ности (~ 0 .9) для монолитных преобразователей, рабо­ тающих в воде, с коэффициентом запаса около двух можно допускать удельную акустическую мощность до

6 ~"~Д’ а для секционированных — до 3 Вт/см2. Связь

удельной акустической мощности с механическим напря­ жением приближенно устанавливается соотношением

применением армирования пьезоматериала более проч­ ными пассивными материалами, например металлом, в результате чего в пьезоматериале создается предвари­ тельное механическое сжимающее напряжение. При ар­ мировании несколько уменьшается эффективность пре­ образователя и повышается частота резонанса. Ориен­ тировочно учесть изменение резонансной частоты стерж­ невого преобразователя можно с помощью формулы

( Х - 6 ) .

Кавитация. Еще одним ограничивающим величину удельной акустической мощности фактором является существование кавитационного порога у жидкостей. Ка­ витация— разрыв жидкости с образованием парогазо­ вых полостей под воздействием звукового давления (или иных сил). Появление кавитационных полостей может привести к разрушению преобразователя от перегрузки, вызванной резким увеличением амплитуды его колеба­ ний в связи с уменьшением сопротивления излучения, и перегрева из-за увеличения мощности потерь. Длитель­ ное воздействие кавитации на жесткие поверхности ан­ тенны может привести к изъязвлению последней и на­ рушению герметизации.

Порог кавитации зависит от многих причин: плот­ ности и вязкости жидкости (у более плотных и вязких жидкостей он выше), частоты и гидростатического да­ вления (растет с их увеличением), длительности излуча­ емого импульса (повышается с ее уменьшением), зага­ зованности и наличия примесей, неравномерности поля звукового давления и колебательной скорости на поверх­ ности антенны. Представление о пороге кавитации воды можно получить из данных, приведенных в приложении в разделе «Кавитация».

182