3.2. Гідроакустичні датчики

Гідроакустичні перетворювачі, що використовуються в гідроакустичних системах, служать для прийому і випромінювання гідроакустичних сигналів. Вони є електромеханічною коливальною системою, в якій може відбуватися перетворення електричних коливань в механічні, або навпаки (властивість оборотності) – механічних в електричні коливання.

В даний час найбільше вживання знаходять п'єзоелектричні і магнітострикційні перетворювачі.

3.2.1. П'єзоелектричні перетворювачі

П'єзоелектричні перетворювачі засновані на використанні п'єзоефекту, яким володіють деякі природні і синтетичні кристали. З природних кристалів частіше за все використовується кварц (SiO₂). До штучних кристалів відносяться сегнетова сіль (NaKC₄O₆-4H₂O) і титанат барія (BaTiO₃).

Якщо з таких кристалів певним чином вирізувати пластинку і піддати її механічній деформації, то на її поверхні з'являться електричні заряди. При зміні напряму зовнішніх сил, діючих на пластинку, знаки зарядів міняються на протилежні. Існує і зворотний п'єзоелектричний ефект, що полягає в тому, що при підведенні до сторін пластинки кристала електричної різниці потенціалів її геометричні розміри змінюються. Прямий п'єзоефект застосовується в приймачах для отримання змінної електричної напруги під впливом акустичних хвиль. Зворотний п'єзоефект застосовується у випромінювачах.

Якщо помістити п'єзокристал в змінне електричне поле так, щоб полярна вісь кристала співпадала з напрямом поля, то максимальна амплітуда коливань кристала буде в тому випадку, якщо частота коливань електричного поля співпадатиме з власною частотою механічних коливань. Завдяки наявності подовжнього і поперечного зворотного п'єзоефекту, можливі коливання двох типів (рис. 5.22):

- пластинка робить подовжні пружні коливання у напрямі осі x (коливання «по товщині»);

- пластинка робить пружні коливання у напрямі осі у (коливання «по довжині»).

Рис. 5.22. Схема виникнення механічних коливань в п'єзокристалі

Частота власних коливань «по товщині» f₁ може бути приблизно знайдена із співвідношення:

де d – товщина пластинки, см;

ρ – густина матеріалу пластинки, г/см³;

μ – модуль пружності у напрямку осі x.

Частота власних коливань «по довжині» f₂ визначається за аналогічною формулою:

де l – розмір пластинки у напрямку осі у.

П'єзоелектричний матеріал може бути представлений еквівалентною електричною схемою (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Еквівалентна схема п'єзоелектричного матеріалу

Тут ємність C₁ визначається габаритами і діелектричною постійною п'єзоелектричного матеріалу, а параметри R, L і C залежать від п'єзоелектричних і пружних констант:

Г; пФ;

Ом; пФ

де ρ – густина матеріалу, г/см³;

b і l – довжина і ширина пластинки, см;

d – товщина пластинки, см;

е – п'єзоелектрична константа, Кл/м²;

η – коефіцієнт, що враховує внутрішні електричні втрати;

ε – діелектрична постійна матеріалу.

Відношення механічної енергії, що генерується, до електричної енергії, запасеної в пластинці, характеризує ефективність п'єзоелектричного випромінювання, оцінювану коефіцієнтом електромеханічного зв'язку:

.