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

Экранирование. Для исключения тыльного излучения (приема) преобразователи приходится акустически эк­ ранировать. Экранировку цилиндрических преобразова­ телей следует выполнять акустически мягким экраном с волновым сопротивлением, меньшим волнового сопро­ тивления воды. Для этой цели может быть использована сцепиально выпускаемая промышленностью листовая по­ ристая резина (с герметично замкнутыми воздушными порами) марки 10087 или с герметичными цилиндричес­ кими каналами ИРП 1207. Первая сохраняет экрани­ рующие свойства при гидростатических давлениях при­ мерно до 10 кгс/см2, вторая — до 40 кгс/см2. Это следует учитывать в случае необходимости проектирования ан­ тенн с повышенным заглублением, например устанавли­ ваемых на траловых устройствах.

Экранирование цилиндров для придания им направ­ ленности и уменьшения взаимодействия с соседними следует выполнять так, чтобы экранная резина облегала каждый преобразователь по периметру и выступала за­ подлицо с образующей в направлении раскрыва (см. рис. 83, а, г). Характеристика направленности такого цилиндра в плоскости направляющей оказывается близ-

также может быть использована резина указанных ма­ рок. Такой экран должен прилегать непосредственно к торцу стержня. Возможно применение экранов с волно­ вым сопротивлением больше волнового сопротивления воды. В этом случае экран называется акустически же­ стким. Чем больше разнятся волновые сопротивления экрана и воды, тем лучше экранирующие свойства экрана.

Металлический экран отражает максимум звуковой энергии при его толщине, кратной нечетному числу чет­ вертей волны в материале экрана. Вследствие нерезко выраженного спада отражающих свойств от толщины толщина металлического экрана может быть уменьше-

%

на до величины-^-, где Яо — длина волны в материале

экрана.

Для получения максимума отражения звуковой энергии, сохранения резонансной частоты и импеданса

183

преобразователя металлический экран следует распола­

гать от торца преобразователя на расстоянии (Я0 —

длина волны в жидкости, окружающей преобразова­ тель) или на расстоянии, кратном нечетному числу чет­ вертей Ко.

Толщину экранной резины Др следует выбирать, ори­

— 10 кГц Др3з20 мм.

Получить представление о влиянии металлического экрана на параметры преобразователя можно с по­ мощью графиков, изображенных на рис. 108, а опреде­ лить коэффициент отражения — с помощью выражения (X— 1) (см. также главу VI).

Параметры преобразователя меняются в случае на­ личия в маслозаполненной конструкции звукопрозрачной металлической мембраны (см. главу X).

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Параметры, которые необходимо заложить в расчет, следующие:

характеристика направленности 7?(0) методы расче­ та см. в главе I);

подводимая электрическая мощность Wg, минимально допустимый электроакустический коэф­

(иногда задают давление или мощность на одной часто­

мальная ее величина на резонансе или на другой ча­ стоте) ;

емкость Сэ;

активное (ваттное) сопротивление Rw-, допустимые габариты; тип преобразователя.

184

Условия механического резонанса

Я— длина волны в пьезоматериале; гСр —средний радиус цилиндра (кольца) (см. рис/ 84),

Индексы р, о, н1, н2 означают принадлежность пара­ метра к резонансной частоте, воде, накладкам. Индек­ сы 3(1) при символах, относящихся к скорости звука, пьезомодулю, модулю упругости, волновым числам кон­ кретизируют пьезоэффект. Индексы при скобках говорят о принадлежности всех величин (в скобках) соответству­ ющей накладке.

Механическому резонансу соответствует условие про­ текания через сопротивление нагрузки (сопротивление излучения в эквивалентной схеме) максимального тока (эквивалентного максимальной амплитуде колебатель­ ной скорости излучающей поверхности). Механический

сЯ

Имеем колебательную систему с резонансами на нечет­ ных гармониках (с одинаковой эффективностью в случае

отсутствия потерь).

С т е р ж е н ь с м е т а л л и ч е с к о й н а к л а д к о й на т о р ц е

pcS tg kl = (pcS tg « ) „ . (VII—32)

Стержень, в котором вдоль резонансного размера укладывается по четверти длины волны в пьезоактивной и пассивной частях, принято называть четвертьволновым.

185

Такой стержень может резонировать как на нечетных, так и на четных гармониках, при этом амплитуда коле­ бательной скорости излучающей поверхности зависит от соотношения волновых сопротивлений и поперечных се­ чений составляющих стержень частей, а на некоторых частотах резонансы могут и не проявляться. Первый не­ четный резонанс возникает при общей длине стержня

Излучаемая акустическая мощность

186

мощности, полученную по настоящим формулам в си­ стеме СИ, надо разделить на коэффициент 9 -10й, напря­ жение— в вольтах. В обоих случаях мощность получается в ваттах.

Ц и л и н д р и ч е с к и й п р е о б р а з о в а т е л ь

в) стержень с двумя одинаковыми металлическими на­ кладками

г) стержень с двумя разными металлическими наклад­ ками

(VII—44)

излучает накладка н1.

187

Коэффициент электромеханической трансформации

т— число секций в преобразователе.

Ци л и н д р и ч е с к и й п р е о б р а з о в а т е л ь :

s

я — лйЕю— ; (VII—45)

а) поперечный пьезоэффект, электроды на цилиндри­ ческих поверхностях (см. рис. 84, а)

2Д/

б) поперечный пьезоэффект, электроды на торцевых поверхностях (см. рис. 84, б)

2М

в) продольный пьезоэффект, секционированный ци линдр, электроды перпендикулярны периметру (см. рис. 84, в)

2дг

я = nd33E3l0 —— . (VII—48)

О

С т е р ж н е в о й п р е о б р а з о в а т е л ь :

188

г) продольный пьезоэффект, стержень секциониро­ ванный, число секций т (см. рис. 84, з, л, к, и)

Коэффициент электромеханической трансформации стержня с накладками на торцах аналогичен таковому стержня без накладок. В приведенные выражения для п подставляют параметры пьезоактивного стержня.

Декремент затухания

Аналогично можно определить добротность пьезоре­ зонатора, следует только заменить Сэ на механическую гибкость; L на эквивалентную массу, R на сопротивле-

189

иие механических потерь плюс сопротивление излучения (при работе на воздухе последнее меньше сопротивле­ ния механических потерь и его можно не учитывать).

Добротность преобразователя находят по формуле

Ц и л и н д р и ч е с к и й п р е о б р а з о в а т е л ь , п о ­

С т е р ж е н ь с о д н о й м е т а л л и ч е с к о й на­ кладко й :

а) излучение (прием) со стороны пьезоактивной части стержня

(PcS)h

190

В случаях с одной и с двумя разными накладками М и Мн физические массы пьезоактивных стержней и на­ кладок.

Сопротивление

Сопротивление преобразователя складывается из ак­ тивного и реактивного, электрического и механического. Для согласования с генератором или усилителем важно

191

знать активную составляющую сопротивления и емкость пьезоэлектрического или индуктивность пьезомагнитного преобразователя. Полное активное сопротивление Rw складывается из сопротивления излучения Rs и сопро­ тивления механических RM,a и электрических (?э.п по­ терь.

При нагрузке на воздух Rs можно полагать равным, нулю. Полное механическое сопротивление RM связано с сопротивлением излучения через акустико-механичес­ кий коэффициент полезного действия:

Механическая мощность связана с акустической:

(VII—69)

Естественно, что

а сопротивление электрических потерь и полное активное сопротивление соответственно будут

1

(VII—71)

Яэп_ tgбису

ТУ ^ЭП^М

(VII—72)

1,7 _ Rsn + Ru

При вычислении сопротивлений в системе СГСЕ по­

М е х а н и ч е с к о е с о п р о т и в л е н и е п о л у в о л ­ н о в о г о с т е р ж н я на р е з о н а н с е

192