35 Измерительные излучатели и приемники звукового давления в жидкостях. Пьезоэлек­трические электроакустические преобразователи. Особенности конструкций. Сферические, цилиндрические, дисковые.

В жидкостях в качестве измерительных излучателей и прием­ников используются преимущественно электроакустические пре­образователи пьезоэлектрического типа — сферические, цилин­дрические и дисковые. На низких частотах используются иногда электродинамические преобразователи, а в качестве источников шумов случайного характера — механические ударные устройства.

Конструкция сферических и цилиндрических пьезопреобразователей, выполненных в виде тонких пьезокерамических оболочек с радиальной поляризацией пред­ставлена на рис. 6.5.

Рисунок 6.5 Конструкция (а) и эквива­лентная электромеханическая схема (б) тонкой сферической и цилин­дрической пьезоэлектрических обо­лочек.1— пьезоэлемент; 2 — заделка вво­да; 3 — кабель; 4 — торцевая заглушка. R_И, R_Д , R_П — сопротивления излучения, электрических, механических потерь соот­ветственно.

Элементы схемы могут быть опре­делены через размеры и форму преобразователя, упругие и электрические постоянные его материала, а также сре­ды, в которой он действует.

Звуковое давление рассчитывают по принципу взаимности: Ер = E_SH, (4), где Ер — чувствительность преобразователя в режиме приема; Е_S — чувствительность преобразователя в режиме излучения; Н — коэффициент взаимности.

Для чувствительности в режиме излучения имеем , где р — звуковое давление на расстоянии г; i -ток, протекающий через излучатель.

На относительно низких частотах входное сопротивление керамического преобразователя носит емкостный характер, поэтому i = 2πfUC, где f — частота.

При одном и том же электрическом напряжении на излучателе звуковое давление увеличи­вается с частотой для сферы быстрее, чем для цилиндра.

В пределах малых глубин эффективность пьезокерамических излучателей не зависит от статического давления до 100 — 200 атм.

Зависимость от температуры в интервале от — 4 до +30° С так­же незначительная.

Необходимо отметить, что цилиндрический излучатель хороше­го качества выполнить легче, чем сферический, так как изготовить сферическую оболочку с одинаковой толщиной стенок не очень легко. Кроме того, эти излучатели также нуждаются в акустической развязке возбуждающего элемента. При плохой развязке наблю­даются большие потери звуковой энергии в опорах, креплениях и кабеле.

Пьезокерамика по сравнению с природным кварцем отличается большими диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла по­терь, поэтому излучатели из керамики при длительной работе сильно нагреваются, причем чем больше частота, тем они больше нагреваются. Для того, чтобы предотвратить разрушение излуча­теля или изменение его излучающих свойств из-за нагрева, прини­мают меры по охлаждению пьезокерамики или работают на них непродолжительно.

ГИДРОФОН, гидроакустич. звукоприёмник. Наиболее распространены Г., основанные на пьезоэлектрич. эффекте; используются также Г. электродинамич. и магнитострикц. типа. Принимаются спец. меры по обеспечению герметичности и защиты чувствит. элементов от действия гидростатич. давления и действия воды.

Пьезоэлектрич. Г. основан на прямом пьезоэффекте нек-рых кристаллов (сегнетова соль, дигидрофосфат аммония, сульфат лития и др.). Широко используются пьезокерамика и керамики на основе титаната-цирконата свинца. Чувствит. элементы пьезоэлектрич. Г. изготовляют в виде полых цилиндров или сфер из пьезокерамики или в виде набора пьезоэлектрич. пластинок.

Магнитострикц. Г. основаны на обратном магнитострикц. эффекте нек-рых металлов (в осн. Ni и его сплавов). Для избежания потерь на вихревые токи их чувствит. элементы (сердечники) изготовляют, как правило, из тонких пластин.

Г., предназначенные для измерит. целей, должны быть ненаправленными и обладать ровной частотной хар-кой во всей области исследуемых частот. Для этой цели удобно пользоваться малыми по сравнению с длиной волны полыми сферич. приёмниками из пьезокерамики, совершающими сферически симметричные колебания.

Одна из важнейших хар-к Г.— чувствительность (в мкВ/Па), отношение электрич. напряжения к звук. давлению. Для увеличения чувствительности (а также устранения шунтирующего действия кабеля) пользуются Г. с предварит. усилителями, к-рые монтируются в одном корпусе с приёмником.