Электроакустические пьезопреобразователи и антенные решетки. Учебное пособие

Измерения электрической

проводимости АП могут в

пол-

няться о

чн

ми измерителями комплексного сопротивления.

Для эти же целей часто применя тся с ем

измерений, ис-

пользу

ие делители напряжения: когда последовательно с

АП

устанавливается до авочн

й резистор.

озможн

й вариант с ем

измерения проводимости показан

на рис. 1.7 (1

частотомер, 2

генератор синусоидальн

сигна-

лов, 3

усилитель мо ности с низким в

одн

м сопротивлени-

ем, 4

лок резисторов, 5

фазометр, 6

вольтметр).

АП изо -

той ли ь разницей, что внутри него имеется прямоугольник, как

подчеркива

ий, что активн й элемент АП содержит ди-

электрик, о лада

ий пьезоактивн ми свойствами.

Поскольку значения модуля проводимости в о ласти резонанса

и антирезонанса различа

тся,

иногда су ественно, применение

лока резисторов с разной величиной сопротивления Rд позволя-

ет олее точно производить измерения отдельно в каждой из резо-

нансн о ластей:

нео

одимо отдельно под ирать величину до а-

вочного резистора для

олее четкой локализации резонансов.

Составля ие комплексной проводимости определя

т формула-

ми [15]:

Y(ω)

=

1

1

,

д

(

(ω) −

1

)

R

β

2β(ω)cosϕ (ω) + 1

1 2

2

G(ω) =

1

β(ω)cosϕ 1(ω) − 1

,

R

β2(ω) − 2β(ω)cosϕ (ω) + 1

д

1

где β(ω) = U0/U1(ω); U0

напряжение на АП; U1(ω) напряжение

на резисторе; ϕ1(ω)

фаза сигнала на резисторе.

< |Z(ω)|/20)

Если в полняется условие Rд << |Z(ω)| (о

чно Rд

и β(ω) >> 1, полага

т справедлив ми равенства

Y(ω)

=

1

U (ω),

cosϕ(ω) = cosϕ (ω).

(1.10)

U0Rд

1

1

То есть при известном и ста ильном напряжении U0 значение

модуля проводимости прямо пропорционально U1, а фазов й угол

1 =

и определяет фазу тока или проводимости.

Звуковое поле по отно

ени

к приемнику представляет со ой

источник энергии с движу

ей силой F, под действием которой ра-

очая

(приемная) повер ность прео разователя при одит вколе а-

тельное движение.

эквивалентной электроме анической с еме

прео разователя движу ая сила действует в ме анической вет-

ви, вкл ча

ей rS. После пересчета все элементов с ме аничес-

кой сторон

на электрическу

эквивалентная с ема приемника

становится аналогичной с еме, приведенной на рис. 1.4, причем

в динамической ветви эквивалентной электрической с ем

удет

действовать эквивалентное электрическое напряжение Uэ =

F/ne,

в званное движу

ей ме анической силой.

Параметр

,

арактеризу

ие

АП, можно раз ить на три

групп

. К первой группе относятся параметр

, связанн е с элек-

трическим полем,

параметр

АП с электрической сторон

; ко

второй группе относятся параметр

, связанн

е с процессом пре-

о разования электрической энергии в акустическу

и нао орот,

электроакустические параметр

; к третьей группе относятся па-

раметр , связанн

е с энергией акустически

волн,

параметр

АП с акустической сторон .

1.4. Э

,

ЭАП

режиме излучения АП арактеризуется следу

ими основ-

н ми параметрами [16]:

–

в одное электрическое сопротивление (импеданс), определя-

емое отно

ением между приложенн

м напряжением и то-

ком в цепи излучателя, а также электрическая проводимость

–

(адмитанс)

прео разователя;

полезного

действия

электроакустический коэффициент

(КПД) ηэа

отно ение акустической мо ности Wа, излучае-

мой АП, к электрической мо ности Wэ, потре ляемой пре-

о разователем от источника воз уждения;

–

чувствительность в режиме излучения

и

отно ение звуко-

вого давления в данной точке (о

чно в направлении макси-

мума излучения на расстоянии одного метра от излучателя)

к напряжени или току воз уждения

АП;

–

диаграмма направленности (ДН) F( ,

), представля

ая со-

ой зависимость величин звукового давления, создаваемого

излучателем в воде, от направления на точку на л

дения,

заданну углами и .

ажн м параметром, оценива

им ра оту

АП с акустичес-

при измерения на достаточно

оль

ом удалении от излучателя,

в так наз ваемой дальней зоне.

Из параметров,

арактеризу

и

ра оту

АП в режиме при-

ема, наи олее важн

ми явля тся:

– электрический импеданс, равн

й отно

ени

между напря-

жением, возника им на электрическом в

оде приемника,

– ДН, представля

ая со ой зависимость чувствительности от

направления пада

ей плоской волн .

p(r,θ,ϕ) = A

ejkr

r

F(θ,ϕ),

где F ( ,

) = F(

, )exp(jψ(

,

)) – комплексная ДН; F(

,

)

ам-

плитудная ДН,

определя

ая пространственное распределение

амплитуд

давления; Ψ( ,

) = arctg(ImF (

,

)/ReF ( ,

))

фазо-

вая диаграмма,

которая опис

вает фазовое распределение поля

на сферической повер ности радиуса r; k = 2π/λ

волновое число.

Рассмотрим структурну

с ему и процедуру измерений амп-

литудной и фазовой диаграмм направленности

АП,

используя

импульсн

й режим ра от

, при котором излучатель воз ужда-

ется прямоугольн м радиоимпульсом (последовательность

пря-

моугольн

радиоимпульсов) с синусоидальн

м заполнением [10].

На рис. 1.8 приведена типовая с ема измерений ДН.

веден

сле-

ду

ие о означения: 1

генератор синусоидальн

сигналов, 2

модулятор, 3

усилительмо

ности, 4

частотомер, 5 – импульсн й

фазометр, 6

син ронизатор, 7

исп

туем

й

АП в режиме излу-

чения (или вспомогательн

й излучатель, если исп

туем

й

АП

ра отает в режиме приема), 8

импульсн

й вольтметр, 9

вспо-

могательн

й приемник

(или исп туем й

АП в режиме приема),

10

осциллограф илисамописец, 11

стро ируем

й

локприемни-

ка

(селектор), 12

усилитель с в соким в одн

м сопротивлением.

Радиоимпульсн й сигнал на одит ирокое применение в гид-

роакустически измерения , осо енноприра отевизмерительн

ассейна ,

лагодаря двум своим качествам: во-перв

, удается

разделить во времени прямой сигнал от излучателя к приемни-

ку от сигналов, отраженн

от различн

границ; во-втор

,

этот

сигнал имеет достаточно сосредоточенн

й спектр при числе пери-

одов синусоид

в импульсе

оль е 10,

что позволяет при лиженно

говорить о ра оте

АП на определенной частоте. Длительность ра-

диоимпульса должна ть достаточно

оль ой, что

достигался

установив

ийся режим, т.

е. режим, при котором

ра отал

АП

при непрер

вном синусоидальном воз уждении.

что-

При измерении ДН приемн й тракт настраивается так,

акустический

сигнал,

принимаем й прео разователем-при-

емником, измерялся в тот момент,

когда на приемник воздейству-

ет только прямой импульс от излучателя. Импульс

,

при

ед

ие

после этого, например отражение от повер ности вод

, не про о-

дят через селектор.

й радиоимпульс с длитель-

тракте излучения прямоугольн

ность τ формируется модулятором.

соответствии с этим им-

пульсом в приемном тракте формируется управляем

й селекто-

ром стро -импульс с длительность

несколько мень

ей τ. Ра ота

селектора син ронизируется с задержкой, сигналом, поступа

им

с модулятора.

Длительность задержки устанавливается в зависи-

мости от расстояния между излучателем и приемником.

При измерения

ДН исп туем

й

АП устанавливается на по-

K

=

4π

.

2π π

(θ,ϕ)sin θ dθ dϕ

∫ ∫ F 2

0

0

Для осесимметричн

ДН коэффициент концентрации рассчи-

K =

2

.

π

∫ F 2(θ)sin θ dθ

0

Если ДН неодинакова в разн

плоскостя , то 1/K на одят по

плоскостям при фиксированном

путем суммирования о ратн

значений коэффициентов концентрации,

рассчитанн по плос-

костям. При измерения в дву плоскостя

наилуч ий результат

дает формула

K = (K1K2)1/2.

Для определения коэффициента концентрации также ироко

применяется графический метод, использу

ий ланки со специ-

альной координатной сеткой. Процесс определения коэффициента

концентрации сводится к нанесени

на

ланк амплитудной ДН,

в числени пло ади

ланка, расположенной между ось

а сцисс

и построенной кривой,

в числени

отно

ения всей пло

ади к

пло ади под кривой.

ность, излучаемая прео разо-

Если известна акустическая мо

K =

4π p2r12

,

(ρ c) W

в a

где (ρс)в

волновое сопротивление вод .

Если известен электроакустический КПД АП ηэа, то

Wа

= Wэηэа.

так как вне о ласти резонанса излучаемая акустическая мо ность

мала и КПД не имеет су

ественного значения.

режиме излучения

АП осу ествляет электроме аническое

ся поэтому электроме аническим КПД

эм и ме аноакустическим

КПД ηма, произведение котор

дает полн

й электроакустический

КПД АП ηэа.

й под од к определени КПД основан

Наи олее универсальн

на использовании формул

[15]

4π p2r2

.

ηэa =

1

(ρ c)в K Wэ

Для определения ηэм удо на формула [там же]

эм

(

)

η

= 1 + tg δ M

−1 .

идно, что электроме анический КПД прео разователя не за-

висит от акустической нагрузки и может

ть определен по ре-

зультатам только электрически

измерений.

ηмa = 1 −

Rмп

.

Rмп + Rs

Су ествует

оль ая группа методов определения ηма, опира -

и ся на эту формулу, в котор

проводятся измерения для АП,

нагруженного на воду и на одя

егося в возду е.

Используя в

ражение для ме анической до ротности, послед-

пряжения в режиме олостого ода к звуковому давлени

, дей-

ству ему на

АП.

(градуировки)

се метод

измерения чувствительности

АП

в режиме приема разделя тся на а сол тн

е и относительн е.

К а сол тн м относятся такие метод

, котор

е не тре у т нали-

чия какого-ли о эталона, относительн

е же построен на исполь-

зовании эталонного прео разователя, чувствительность которого

известна.

Су ествует оль ое количество методов измерения чувстви-

тельности акустически приемников. Рассмотрим

основн е из

ни , наи олее часто применяем е для градуировки

АП [10].

жима

излучения и приема связан

через параметр взаимности

H : γ = Hγи. Для плоской, цилиндрической и сферической волн со-

ответственно

H = 2S (ρ c) , H = 2

(rλ)1 2 D (ρ c)

, H = 2r λ (ρ c) ,

в

в

в

где S

пло адь ра очей повер ности

АП.

а

е всего градуировку

АП по методу взаимности проводят,

используя три прео разователя:

кроме исп туемого,

нео одимо

иметь о ратим й прео разователь и вспомогательн

й источник

звука.

радуировка проводится в три этапа: 1-й этап

излучает

вспомогательн й источник, принимает сигнал исп туем

й АП,

на в оде которого измеряется напряжение U1; 2-й этап

на место

исп туемого поме

а т о ратим

й прео разователь, ра ота

ий

в режиме приема

(режим ра от

вспомогательного излучателя

не изменяется), и измеря

т напряжение U2 на в

оде о ратимого

прео разователя; 3-й этап

о ратим й прео разователь поме

а-

т на место вспомогательного излучателя, воз ужда т некотор

м

током и измеря т напряжение U3 на в оде исп

туемого прео -

разователя (для измерения тока ставят последовательно с о рати-

м м прео разователем сопротивление RB и измеря

т падение на-

пряжения на нем U4).

увствительность исп

туемого

АП определяется по формуле:

U U

R H 1 2

γ =

1 3

B

.

U U

4

2

Направленн е прео разователи на все

этапа

градуировки

должн

ть ориентирован

максимумом ДН на источник звука.

Расстояние между прео разователями на все

этапа

градуировки

должно

ть одинаково, и должн

в

полняться условия дальней

зон .

м достоинством градуировки на основе принципа вза-

Основн

имности является то, что значение чувствительности

АП, в

ра-

жаемое в электрически

и акустически величина ,

может

ть

определено путем в полнения только электрически

измерений.

инженерной практике часто определя

т чувствительность

АП сравнением с о разцов

м приемником, про

ед им граду-

ировку в метрологически

организация . Различа

т два метода

сравнения – сличения и заме

ения. При реализации метода сли-

чения излучение действует одновременно и на о разцов й,

и на

исп туем

й прео разователи (в места

расположения о разцового

П

1

вивалентной с ем по измерениям частотной

арактеристики мо-

дуля проводимости в о ласти резонанса.

Рекомендации. Для определения параметров чет ре

эле-

ментов одноконтурной эквивалентной с ем

АП измеря

т час-