Глава 2. Использование ультразвуковые преобразователи.

2.1.Исторический обзор

Можно сказать, что ультразвуковые преобразователи родились в воде. В 1826 г. в одном озере (Речь идет об опытах Колладоне и Штурма на Женевском озере.— Прим. ред.)) впервые была измерена скорость распространения звука в воде с помощью церковного колокола. Еще до этого эксперимента Леонардо да Винчи отметил, что вода хорошо проводит звук. Однако можно вполне определенно считать, что эксперимент 1826 г. является первым случаем применения для излучения звука в воду резонансного устройства.

Вдальнейшем подводные колокола, возбуждаемые электромагнитными или пневматическими молоточками, использо­вались для измерения глубин акустиче­ским методом и для других навигацион­ных целей. По своей форме подводный сигнальный колокол (Рис.2.1) отличался от церковного. Край его был сделан очень толстым, чтобы улучшить резонансные свойства колокола при работе в воде, акустический импеданс которой более чем в 3000 раз превышает акустический импе­данс воздуха.

В качестве гидрофонов в то время использовались угольные микро­фонные капсулы, заключенные в метал­лический корпус.

Рис 2.1. Подводный сигнальный колокол.

Для получения повышенной акусти­ческой мощности в течение некоторого времени использовались водяные сирены, подвижная часть которых вращалась в водяном баке, прикрепленном к вну­тренней поверхности корпуса корабля. Но в 1907 г. Появился генератор Фессендена (Рис 2.2), который и был применен для подводной сигнализации.

Рис. 2.2. Генератор (преобразователь) Фессендена.

Генератор был создан на основе индукционного (асинхронного) двигателя с использованием электроди­намического эффекта. Колебания толстой металлической диафраг­мы возбуждались толстой медной трубкой определенной длины, которая могла свободно перемещаться в осевом направлении в сильном постоянном радиальном магнитном поле. Первичная обмотка, по которой протекал переменный ток, была намотана на расположенный внутри сердечник таким образом, что медная трубка представляла собой единственный короткозамкнутый виток вторичной обмотки. Индуцированный в медной трубке вторичный ток, взаимодействуя с постоянным полем, создавал переменную механическую силу. Механическая система генератора была очень массивной, чтобы преодолевать большой акустический импеданс среды. Переменный ток подводился от высокочастотного генера­тора, и частота выбиралась равной резонансной частоте диафраг­мы, соприкасающейся с водой, так как эффективность электро­акустического преобразования при возбуждении вне механиче­ского резонанса заметно падает. Генераторы Фессендена с резо­нансными частотами 540, 1050 и 3000 Гц выпускались промышлен­ностью и в течение довольно длительного времени использовались на практике для подводной сигнализации и измерения глубин акустическим методом.

Вплоть до тех отдаленных времен ультразвуковые волны сов­сем не использовались. Но при разумных габаритах излучателя звук слышимых частот распространяется в воде ненаправленно. Кроме того, слышимый звук может очень раздражать пассажиров и команду корабля. С этих точек зрения, а также с учетом опре­деленных военных применений стала ясна необходимость исполь­зования ультразвуковых волн. В 1920 г. появился подходящий ультразвуковой излучатель, предназначенный для сигнализации с подводных лодок и названный излучателем Ланжевена (Рис 2.3). Этот излучатель представляет собой мозаику, набранную из кусков кварца Х-среза и заключенную между двумя толстыми металли­ческими пластинами. Если к пластинам приложено переменное электрическое напряжение, то в кристаллах кварца возникает пьезоэлектрическая вынуждающая сила, и они вместе с жестко связанными с ними пластинами начинают колебаться как единая механическая система. Частота возбуждающего электрического напряжения выбирается равной частоте основной продольной моды колебаний этой трехслойной структуры. (В первое время на практике, по-видимому, использовались частоты 17, 45 кГц и т. д.) Поверхность металлической пластины, обращенная к воде, совершает поршневые колебания, и направленность излучателя оказывается достаточной при диаметре пластины порядка 30— 40 см. Противоположная поверхность другой пластины сопри­касается обычно с воздухом, так что она не дает акустического излучения.

Рис 2.3. Излучатель (преобразователь) Ланжевена.

В 1933 г. были изобретены магнитострикционные вибраторы из тонких листов металла. Колеблющийся сердечник такого вибра­тора изготавливается в виде набора сотен склеенных между собой тонких пластин, отштампованных из листового никеля (Рис 2.4).

Рис 2.4. Магнитострикционные вибраторы (преобразователи), набираемые из пластин.

Электрические обмотки размещаются в предусмотренных при штамповке окнах. Магнитострикционная вынуждающая сила создается переменным током, частота которого выбирается обычно равной частоте механического резонанса сердечника. Толщина отдельной пластины выбирается в соответствии с рабочей часто­той с учетом магнитной проницаемости и электрического сопро­тивления материала так, чтобы потери на вихревые токи не пре­вышали некоторого значения, поскольку они являются главным фактором, определяющим электроакустический коэффициент по­лезного действия преобразователя.

Магнитострикционные преобразователи такого типа могли совершенствоваться за счет разработки новых сплавов, обладаю­щих все большим и большим магнитострикционным эффектом и, следовательно, возможностью преобразования большей мощно­сти. В отличие от этого излучатели Ланжевена, источник возбуж­дающей силы которых зависит от природы кристаллов кварца, обладали меньшими возможностями совершенствования. Их аку­стическая мощность ограничивалась напряжением пробоя кристал­ла. Кроме того, прочная и равномерная приклейка мозаики из кристаллов к большой поверхности металлической пластины, подверженной сильным переменным напряжениям, связана с техническими трудностями. Напротив, в магнитострикционных виб­раторах склеиваемые поверхности в точности параллельны направ­лению. колебаний, и поскольку речь идет о переменных механи­ческих напряжениях, нет необходимости принимать меры предосто­рожности для обеспечения прочности склейки. Эти преимущества магнитострикционных вибраторов способствовали быстрому вы­теснению ими преобразователей Ланжевена. Далее проводились исследования различных сплавов, и в 1942 г. был получен сплав алюминия с железом, названный альфером, применение которого снизило стоимость магнитострикционных преобразователей. Вибраторы из этого сплава быстро нашли широкое применение не толь­ко в ультразвуковых эхолотах, но и в рыболокаторах различных типов.

Вскоре, однако, был обнаружен большой пьезоэлектрический эффект в искусственном сегнетоэлектрике, названном керамикой титаната бария, а развитие технологических методов сделало изделия из керамики достаточно механически прочными для исполь­зования их в режиме ультразвуковых колебаний. Это произошло за промежуток времени с 1947 по 1950 г. Вынуждающая сила возникает в таком материале при воздействии на него переменного электрического поля, как и в кристалле кварца, но в данном случае нужна еще постоянная электрическая поляризация — электрическое смещение. Коэффициент электромеханической свя­зи для керамики титаната бария значительно выше, чем для квар­ца, и благодаря этому снова вспомнили об излучателе Ланжевена. В связи с разработкой прочных искусственных смол, таких, как аралдит, ультразвуковые преобразователи типа Ланжевена с керамическими пластинками из титаната бария вместо кварцевой мозаики вновь вошли в практику. Высокий коэффициент элек­тромеханической связи материала и малые диэлектрические поте­ри в нем позволили надеяться на то, что применение таких пре­образователей будет способствовать повышению общей эффектив­ности различных ультразвуковых установок. Несмотря на то что упомянутые выше трудности, присущие технике сборки, не были преодолены и для преобразователя Ланжевена из титана­та бария, он нашел достаточно широкое практическое применение в различной маломощной ультра­звуковой аппаратуре, в частно­сти в компактных рыболокато­рах, где выступил серьезным конкурентом магнитострикцион­ных преобразователей из альфера или никеля.

Рис 2.5. Ферритовые магнитострикционные вибраторы.

За время с 1954 по 1957 г. были получены новые полезные магнитострикционные материалы — ферриты; в результате про­мышленной разработки их технологии была достигнута механи­ческая прочность ферритов, достаточная для излучения ультра­звука большой мощности. Ввиду того что ферриты имеют очень высокое электрическое сопротивление, потери на вихревые токи не ощущаются для них в любом монолитном объеме материала, и вибратор может быть изготовлен сразу в окончательной форме из ферритового порошка путем прессования и последующего обжига (фиг. 1.7). Электроакустический коэффициент полезного действия ферритов, очевидно, выше, чем к. п. д. металлических магнитострикционных вибраторов, набранных из тонких пластин, и обычно превышает последний примерно в 3 раза, достигая 80—90%. Характерные преимущества магнитострикционного пре­образователя по сравнению с пьезоэлектрическим присущи любому преобразователю из ферритов. Поэтому во многих областях промышленного применения ультразвука в настоящее время используются преимущественно ферритовые преобразователи.