Конструкция акустической антенны погружного плотномера. Гидроакустическая антенна

• Tutorial

Привет, глубокоуважаемые!

Значит кто-то из вас недорабатывает! (С) Полковник одного ведомства

Если в обычной жизни для излучения звука мы используем динамики (такие, как например у вас в ноутбуке или автомобиле) а для записи звука - микрофон, то спешу вас обрадовать: под водой и воспроизведение (мы говорим “излучение”) и запись звука (преобразование) выполняются зачастую одним и тем же устройством, которое и называется гидроакустической антенной.

В подавляющем большинстве случаев гидроакустическая антенна представляет собой один или несколько пьезоэлементов: пластин, дисков, колец, сфер, полусфер и т.п.
Пьезоэлементы обладают т.н. пьезоэффектом: если подавать на элемент переменный электрический сигнал, то элемент начинает колебаться, а если элемент колебать, ну например, акустической волной, то на нем начинает вырабатываться переменный электрический сигнал.

То есть, пьезоэлемент преобразует электрический сигнал в акустические волны (механические колебания) и наоборот - акустические волны в электрический сигнал.

Как говорится: теория без практики мертва! Давайте не будем терять времени и сделаем пару гидроакустических антенн.

Материалы, которые нам понадобятся:

• пара пьезопищалок Ф35мм (мы купили 10 штук за 100 рублей на Алиэксперссе)
• 10-ти метровый отрезок кабеля RG-174
• два коннектора Jack 3.5 мм стерео
• медная/латунная/нержавеющая пластина шириной 50х100 мм толщиной 1-2 мм
• эпоксидный клей
• силиконовый герметик (безуксусный)
• припой и флюс
• спирт для обезжиривания и протирки IP-пакетов
• два любых резистора с номиналами ~100 Ом и другой 470 - 1000 кОм (мы взяли MF25 0.25 Вт)
• два диода 1N4934

• дрель и сверла Ф3 и 2.5 мм (чтобы сверлить медную пластику)
• ножовка по металлу или дремель (чтобы пилить медную пластину)
• наждачная бумага 200-600 грит (чтобы зачистить медную пластину)
• нож, кусачки (для зачистки проводов)
• паяльник или паяльная станция
• стоматологическая лопатка для разравнивания герметика

Для того, чтобы неподключенная антенна не накапливала заряд ей в параллель ставится резистор номиналом 0.5 - 1 МОм (R1).

В приемной антенне, для ограничения максимального напряжения можно собрать простейший пороговый ограничитель из диодов D1, D2 и резистора 100 Ом (R2). В качестве диодов можно взять 1N4934, а резисторы R1, R2 мы взяли MF25 номиналом 470 кОм. Обратите внимание, если планируется подключать приемную антенну в микрофонный вход (а не в линейный), то дополнительно потребуется конденсатор C1 номиналом 0.1… 1 uF, иначе питание, подаваемое звуковой картой на электретный микрофон окажется коротко замкнуто через диод D1.

Нехитрая схема подключения пьезы

Сами пьезоэлементы нужно приклеить на металлические пластины при помощи эпоксидки. Это, во-первых, понизит резонансную частоту пьезоэлемента (добавили неподрессоренную массу), а во-вторых, будучи приклеенной одной стороной к жесткой металлической пластине пьезоэлемент не сможет сжиматься и растягиваться и ему придется изгибаться.

Размечаем металлическую пластину по размеру пьезоэлемента

Мы выпилили две квадратные пластины 50 х 50 мм и просверлили отверстия под кабель (диаметром 3 мм) и два отверстия для крепления кабеля при помощи тонкой нейлоновой нити, получилось вот так:

Почти собранная антенна =)

Мы от купленного 10-ти метрового куска кабеля отрезали два куска по 3 метра, остальное оставили про запас.

Кабель заводим в отверстие, центральную его жилу припаиваем к металлизации пьезоэлемента, а экран - к его металлической подложке. В параллель, как договаривались, припаиваем резистор номиналом 470 кОм.

Другой конец кабеля зачищаем и собираем разъем:

Центральную жилу запаиваем в центральный контакт (самый кончик разъема), средний оставляем нетронутым, а корпус разъема припаиваем к оплетке кабеля. Я всегда забываю надеть корпус разъема на кабель и мне приходится все перепаивать по два раза - не повторяйте моей ошибки)

После пайки очень важно отмыть флюс - особенно на пьезоэлементе. Если этого не сделать, то со временем он разъест пайку.

Итак, мы подготовили две антенны (на одной из них стоит пороговый ограничитель). Теперь самое время замешивать эпоксидку и одевать латексные перчатки.

Перед приклейкой пьезоэлементов к медным пластинам и то и другое стоит тщательно обезжирить спиртом (этиловым или изопропиловым) или ацетоном. Ни к коем случае не используйте для этих целей что-либо другое - бензин или керосин - эти вещества оставляют жирные следы, ухудшающие адгезию.

Стоит напомнить, что все работы со спиртами, ацетоном и эпоксидкой нужно проводить в хорошо провертриваемом пощещении, защищать руки и глаза. Не пренебрегайте правилами техники безопасности!

Наносим эпоксидку

Пропитываем нейлоновую нить, крепящую кабель к пластине.

Продолжаем наносить эпоксидку

Для приклейки пьезоэлемента к пластине достаточно совсем немного эпоксидного клея. Не перебарщиваем - эпоксидка не должна попасть на верхнюю часть, иначе при полимеризации она может разрушить тонкий слой пьезокерамики, плюс ко всему эпоксидка портится в воде.

В итоге должно получиться примерно так:

Пьезоэлементы приклеены, оставляем все до полной полимеризации

Обычно эпоксидные клеи полностью полимеризуются за 24 часа. Мы например, так и сделали - оставили наши антенны до следующего дня.

….ждем 24 часа

Придя в лабораторию утром мы первым делом подключили первую антенну (без порогового ограничителя) в разъем наушников ноутбука. Если включить музыку и поднести нашу антенну к уху то можно убедится, что как минимум слышимый диапазон частот она воспроизводит совсем неплохо - есть даже намек на басы - так повлияла медная подложка.

Понятно дело, что в таком виде это уже акустическая передающая антенна, но еще все же не гидроакустическая. Чтобы исправить это недоразумение антенну нужно повторно обезжирить и покрыть тонким слоем герметика.

Важное замечание: не применяйте ацетатсодержащий санитарный герметик, содержащаяся в нем уксусная кислота разъест пайку, кабель и металлизацию пьезоэлемента.

Мы рекомендуем жидкую резину от KimTek, предназначенную для лодок и катеров. Если у кого уже есть в наличии вместо герметика можно воспользоваться отличными полиуретановыми компаундами от фирмы Smooth-On или 3M - так гораздо более технологично и модно.

Cиликоновый герметик на основе MS-полимера отлично подходит для наших целей

Для удобства мы сначала заполняем герметиком медицинский одноразовый шприц, и уже из него наносим герметик на пьезоэлемент и паяные соединения:

Начинаем наносить герметик, стараемся чтобы не было воздушных пузырей

После нанесения герметика разравниваем его стоматологической лопаткой или кому чем удобно (можно даже пальцем). В итоге у нас получилось так:

Эстетическое совершенство =)

Не стоит делать слой герметика слишком толстым - антенна потеряет чувствительность. Достаточно слоя толщиной 1 мм. Тщательно защищаем герметиком места пайки, резисторы и диоды.

Можно покрыть герметиком и обратную сторону пластины - на одной антенне мы так и сделали, а на другой не стали.

Если перенести резисторы и диоды ближе к кабелю, то пьезоэлемент намазывать герметиком будет гораздо удобнее и слой получится ровнее.

После завершения скульпторской работы опять оставляем антенны на 24 часа.

Давайте посчитаем чего нам стоили эти две антенны:

Правда, если брать в расчет стоимость эпоксидного клея, обезжиривателя и особенно силиконового герметика, 500 мл которого стоят 900 руб итоговые затраты оказываются немного больше.

P.S.

P.P.S.

и их технические характеристики

Назначение гидроакустических антенн

Гидроакустические антенны предназначены для излучения или приема гидроакустических сигналов с помощью гидроакустических преобразователей и для обеспечения пространственной избирательности.

Гидроакустические преобразователи

Гидроакустический преобразователь представляет собой техническое устройство, которое преобразует электрические колебания в механические, или, наоборот, механические колебания в электрические.

Существуют два основных класса гидроакустических преобразователей:

a) магнитострикционные;

b) пьезоэлектрические.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей

В магнитострикционных преобразователях используется явление магнитострикции. Явление магнитострикции заключается в том, что в некоторых ферромагнитных материалах под воздействием магнитного поля возникает деформация, характеризуемая изменением длины образца при расположении его вдоль магнитных силовых линий. Этот эффект называется прямым магнитострикционным эффектом .

Если при возрастании напряженности магнитного поля длина стержня увеличивается, то магнитострикцию называют положительной, а если длина стержня уменьшается, то магнитострикцию называют отрицательной.

График зависимости относительного удлинения различных ферромагнитных материалов от напряженности магнитного поля приведен на рис. 5.

Пермаллой

Кобальт

– Никель

Рис. 5. График зависимости относительной деформации от напряженности поля

Характер и степень деформации зависит от материала образца, способа его обработки, величины предварительного намагничивания и температуры. Из материалов, представленных на рис. 5, пермаллой обладает положительной магнитострикцией, никель – отрицательной, а кобальт имеет переменный знак магнитострикции, зависящий от напряженности магнитного поля.

Деформация любого образца ограничивается пределом, который называется магнитострикционным насыщением . Величина деформации насыщения и напряженность магнитного поля, при которой наступает насыщение, зависит от материала. Например, величина магитострикционного насыщения у никеля значительно больше, чем у кобальта, и насыщение никеля наступает при меньшей напряженности поля, чем насыщение кобальта.

Большое влияние на свойства магнитострикционных материалов оказывает термическая обработка. Отжиг любого материала приводит к повышению величины магнитострикции.

С повышением температуры магнитострикционный эффект ослабевает вплоть до полного исчезновения.

С молекулярно-кинетической точки зрения явление магнитострикции объясняется следующим образом:

Кристаллографические оси малых однородных кристаллов ферромагнитного материала имеют беспорядочную ориентацию в пространстве. Однако, отдельные кристаллы объединяются в так называемые домены . Магнитные моменты каждого домена имеют определенную ориентацию. Например, в никеле магнитные моменты доменов ориентируются в восьми направлениях – по четырем диагоналям куба. Эти направления называют направлениями легчайшего намагничивания . Если образец не намагничен, то магнитные моменты доменов ориентированы беспорядочно, и суммарный магнитный момент равен нулю.

Под воздействием внешнего магнитного поля происходит переориентация магнитных доменов. Они ориентируются в тех направлениях, которые совпадают с направлением внешнего поля. При этом происходит деформация кристаллической решетки, что приводит к изменению размеров образца.

Наряду с прямым магнитострикционным эффектом существует и обратный магнитострикционный эффект , сущность которого заключается в изменении магнитного состояния образца под воздействием механического напряжения. При механическом воздействии на ферромагнитный материал кристаллическая решетка деформируется, в результате чего ориентировка магнитных моментов доменов по отношению к внешнему магнитному полю изменяется.

Магнитострикция является четным эффектом. Это означает, что при изменении полярности магнитного поля знак деформации не меняется. Таким образом, если через соленоид, внутри которого находится стержень, пропускать переменный электрический ток, то стержень будет совершать периодические колебания с частотой, равной удвоенной частоте возбуждающего электромагнитного поля. Указанный эффект можно устранить, если применить предварительное подмагничивание преобразователя. В преобразователях поисковых гидроакустических приборов подмагничивание осуществляется путем установки постоянных магнитов или введением специального источника постоянного тока.

Характеристика работы магнитострикционного преобразователя без подмагничивания приведена на рис. 6, а с подмагничиванием – на рис. 7.

–H +H

Рис. 6. Характеристика работы

магнитострикционного преобразователя без подмагничивания

Рис. 7. Характеристика работы

магнитострикционного преобразователя с подмагничиванием

Для повышения эффективности преобразователей частота внешнего возбуждения должна быть равна частоте его собственных колебаний. Частота собственных упругих колебаний стержня зависит от его длины и материала, из которого он изготовлен.

Собственная частота стержня определяется по формуле:

где n – номер гармоники (обычно n = 1);

l – длина стержня, см ;

E – модуль упругости материала, н/м 2 ;

ρ – плотность, кг/м 3 .

Конструкции магнитострикционных преобразователей

Любой магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционного материала, на котором расположена обмотка из гибкого медного провода с водостойкой изоляцией. Сердечник набирается из тонких штампованных пластин. После штамповки пластины отжигаются. Слой окиси, образующийся на поверхности пластин при отжиге, является хорошим изолятором. Изоляция между пластинами препятствует появлению вихревых токов в сердечнике, и таким образом уменьшает потери энергии на нагрев сердечника.

В поисковых приборах наибольшее распространение получили стержневые магнитострикционные преобразователи. Пластины, из которых набирается стержневые преобразователи, имеют прямоугольную форму с прорезями. Пластины набираются в пакет, представляющий собой замкнутый магнитопровод, на стержнях которого уложена обмотка. Для установки постоянных магнитов, с помощью которых осуществляется постоянное подмагничивание преобразователя, в сердечнике предусматриваются продольные пазы. Конструкция стержневого магнитострикционного преобразователя приведена на рис. 8.

Площадь поверхности мирового океана составляет около 71% поверхности Земли. Большая его часть до сих пор не изучена.

Необходимость исследования мирового океана в условиях все возрастающих потребностей человечества в дешевом топливе и необходимость контролировать гражданское судоходство обусловили появление гидроакустических сенсорных систем, способных вести разведку углеводородов на морском шельфе и идентифицировать и локализовать гражданские суда в водных акваториях.

Сегодня к таким системам предъявляются высокие требования, чтобы обеспечить оптимальные параметры, и использование оптических волноводов в качестве передающего и чувствительного элементов способны в значительной степени повысить эффективность работы подобных систем и снизить затраты на исследование мирового океана и контроль водных акваторий.

Основными факторами для замены традиционных гидроакустических сенсоров на пьезоэлектрических преобразователях являются меньшая стоимость, высокая надежность, меньшие массогабаритные параметры, простота изготовления распределенного сенсора и высокая чувствительность в области низких частот, отсутствие воздействия электромагнитных помех на чувствительную волоконную часть.

Разведка производится с помощью активного гидролокатора. Корабельный источник излучает широкополосное акустическое излучение. Участки дна с разной плотностью, как например нефтегазовое месторождение и обычный грунт, будут отражать акустическое излучение с разными спектральными составляющими. Забортная волоконно-оптическая антенна регистрирует эти сигналы. Бортовое оборудование обрабатывает данные, получаемые с антенны, и, исходя из временной задержки полезного сигнала, выдает направление на искомый объект.

Принцип работы акустооптического кабеля, чувствительным элементом которого является оптическое волокно, основан на эффекте изменения показателя преломления волокна, а следовательно и фазы оптического излучения под действием акустического поля. Вычисляя изменение фазы, можно получить информацию об акустическом воздействии.

Существует множество оптических схем и конструкций чувствительных элементов, но все они позволяют мультиплексировать большое число сенсоров на едином волокне, размещая в акустооптическом кабеле несколько волокон можно приумножить количество сенсоров в антенне, незначительно увеличив толщину акустооптического кабеля. Такой способ мультиплексирования большого числа сенсоров на данный момент может обеспечить только использование оптических волокон.

Работы по тематике данного проекта начались в 2011 году совместно с ЦНИИ "Концерн "Электроприбор" . В 2011-2013 г были проведены подготовительные работы, были отработаны основные концепции создании акустооптических кабелей, опробованы различные методы обработки сигналов. В 2014-2016 г. были разработаны и реализованы несколько макетов пассивных акустооптических кабелей и электронных блоков обработки сигналов.

Для определения динамического диапазона, чувствительности, уровня собственных шумов и других параметров был проведен ряд испытаний каждой антенны. Испытания включали в себя исследования антенны в заглушенной камере (акустооптический кабель расположен на штативах вокруг источника акустического поля) и на открытой воде (акустооптический кабель намотан на звукопрозрачную испытательную корзину, в центре которой помещен сферический источник акустического поля). Ниже представлены фотографии с проведенных испытаний.

Создание и исследование протяженных гидроакустических волоконно-оптических антенн - молодое направление науки в России, которое открывает большие перспективы в области гидроакустических измерений.

От выбора места установки антенн эхолотов зависит уровень шумов, сопрово-ждающих полезный сигнал, коэффициент полезного действия антенны, максималь-ная глубина, которую практически можно измерить в существующих условиях пла-вания, а порой и сама возможность проведения измерений.

Основными источниками гидроакустических помех, воздействующих на антен-ны, являются судовые машины и механизмы, гребные винты, турбулентный погра-ничный слой, а также другие гидроакустические системы, одновременно работаю-щие на судне. Каждый из источников помех создает шумы определенного спектра, которые попадают на антенну, распространяясь непосредственно по корпусу судна, в воде вдоль корпуса судна, отражаясь от объектов рассеяния в морской среде или от дна. Особое влияние на работу антенн оказывают пузырьки воздуха, рассеянные в слое воды, омывающей антенну. Неоднократно было замечено на практике, что при движении судна в балласте, когда в его придонной области имело место интен-сивное образование пузырьков, эхолот переставал измерять даже относительно не-большие глубины. При снижении скорости перемещения судна или его остановке работа эхолота восстанавливалась. Это явление можно объяснить тем, что пузырьки воздуха с одной стороны интенсивно рассеивают и поглощают энергию, с другой – изменяют физические свойства среды, непосредственно соприкасающейся с антен-нами, снижая ее эквивалентную жесткость, что, в свою очередь, влияет на настройку системы антенна – среда, снижая эффективность преобразования электрического сигнала в механический и обратно.

С целью уменьшения влияния возмущающих факторов на работу эхолота антен-ны следует устанавливать в местах, удовлетворяющих следующим требованиям :

изменение гидродинамического давления в месте установки антенны при изме-нении скорости судна должно быть минимальным;
место установки антенны должно располагаться как можно дальше от машинного отделения, гребных винтов, подруливающих устройств, а также от помещений, в которых расположены сильно шумящие машины и механизмы;
в районе размещения антенн (на расстоянии до 3-5 м) не должно быть водоза-борных и отливных устройств, так как это может вызвать резкое увеличение пропусков или полное пропадание показаний эхолотов, особенно работающих на низкой частоте;
в непосредственной близости от антенны, в особенности в направлении к носу судна, не должно быть выступающих судовых конструкций и выстреливающих устройств, которые могут мешать работе эхолота;
на пути излучения и приема сигнала, в пределах 60° от вертикали, не должно быть частей, которые могут создавать отражение акустических колебаний;
место установки антенны должно быть максимально удалено от других гидро-акустических систем, имеющихся на судне;
рекомендуется обеспечивать удобный доступ к антенне для ее осмотра, проведе-ния профилактических работ и замены.
После определения возможных мест установки антенн эхолота с учетом выше-перечисленных требований необходимо на основании предварительной оценки уровня шумов в местах предполагаемого расположения антенн выбрать место с наименьшим уровнем акустического шума.
При выборе места размещения антенны эхолота необходимо учитывать на-правление вращения судового винта. Так, при использовании винта правого шага в левую часть кормовых обводов судна ударяет возмущенный им поток воды. Вследствие этого возникает вибрация обшивки, распространяющаяся главным образом в левой части днища судна. Эта вибрация корпуса судна вызывает до-полнительные акустические помехи. В связи с этим при гребном винте право-го шага антенну эхолота рекомендуется устанавливать по правому борту, а при гребном винте левого шага - по левому борту.

Результаты замеров уровней шумов в различных точках корпуса свидетельству-ют о том, что наименьший уровень шумов, как правило, наблюдается в носовой час-ти судна . Поэтому антенну эхолота рекомендуется устанавливать возмож-но ближе к носу судна (в области положительного давления) с учетом недо-пустимости ее оголения при качке. Антенну рекомендуется устанавливать возможно ближе к диаметральной плоскости судна.

Уменьшить влияние помех можно с помощью установки специальных экранов.

Монтаж остальных приборов комплекта эхолота осуществляется в соответствии с требованиями технической документации на изделие и с учетом удобства работы с прибором.

и их технические характеристики

Назначение гидроакустических антенн

Гидроакустические антенны предназначены для излучения или приема гидроакустических сигналов с помощью гидроакустических преобразователœей и для обеспечения пространственной избирательности.

Гидроакустические преобразователи

Гидроакустический преобразователь представляет собой техническое устройство, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ преобразует электрические колебания в механические, или, напротив - механические колебания в электрические.

Существуют два базовых класса гидроакустических преобразователœей:

a) магнитострикционные;

b) пьезоэлектрические.

Принцип действия магнитострикционных преобразователœей

В магнитострикционных преобразователях используется явление магнитострикции. Явление магнитострикции состоит по сути в том, что в некоторых ферромагнитных материалах под воздействием магнитного поля возникает деформация, характеризуемая изменением длины образца при расположении его вдоль магнитных силовых линий. Этот эффект принято называть прямым магнитострикционным эффектом .

В случае если при возрастании напряженности магнитного поля длина стержня увеличивается, то магнитострикцию называют положительной, а если длина стержня уменьшается, то магнитострикцию называют отрицательной.

График зависимости относительного удлинœения различных ферромагнитных материалов от напряженности магнитного поля приведен на рис. 5.

Пермаллой

Кобальт

– Никель

Рис. 5. График зависимости относительной деформации от напряженности поля

Характер и степень деформации зависит от материала образца, способа его обработки, величины предварительного намагничивания и температуры. Из материалов, представленных на рис. 5, пермаллой обладает положительной магнитострикцией, никель – отрицательной, а кобальт имеет переменный знак магнитострикции, зависящий от напряженности магнитного поля.

Деформация любого образца ограничивается пределом, который принято называть магнитострикционным насыщением . Величина деформации насыщения и напряженность магнитного поля, при которой наступает насыщение, зависит от материала. К примеру, величина магитострикционного насыщения у никеля значительно больше, чем у кобальта͵ и насыщение никеля наступает при меньшей напряженности поля, чем насыщение кобальта.

Большое влияние на свойства магнитострикционных материалов оказывает термическая обработка. Отжиг любого материала приводит к повышению величины магнитострикции.

С повышением температуры магнитострикционный эффект ослабевает вплоть до полного исчезновения.

С молекулярно-кинœетической точки зрения явление магнитострикции объясняется следующим образом:

Кристаллографические оси малых однородных кристаллов ферромагнитного материала имеют беспорядочную ориентацию в пространстве. При этом, отдельные кристаллы объединяются в так называемые домены . Магнитные моменты каждого домена имеют определœенную ориентацию. К примеру, в никелœе магнитные моменты доменов ориентируются в восьми направлениях – по четырем диагоналям куба. Эти направления называют направлениями легчайшего намагничивания . В случае если образец не намагничен, то магнитные моменты доменов ориентированы беспорядочно, и суммарный магнитный момент равен нулю.

Под воздействием внешнего магнитного поля происходит переориентация магнитных доменов. Οʜᴎ ориентируются в тех направлениях, которые совпадают с направлением внешнего поля. При этом происходит деформация кристаллической решетки, что приводит к изменению размеров образца.

Наряду с прямым магнитострикционным эффектом существует и обратный магнитострикционный эффект , сущность которого состоит в изменении магнитного состояния образца под воздействием механического напряжения. При механическом воздействии на ферромагнитный материал кристаллическая решетка деформируется, благодаря чему ориентировка магнитных моментов доменов по отношению к внешнему магнитному полю изменяется.

Магнитострикция является четным эффектом. Это означает, что при изменении полярности магнитного поля знак деформации не меняется. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в случае если через соленоид, внутри которого находится стержень, пропускать переменный электрический ток, то стержень будет совершать периодические колебания с частотой, равной удвоенной частоте возбуждающего электромагнитного поля. Указанный эффект можно устранить, в случае если применить предварительное подмагничивание преобразователя. В преобразователях поисковых гидроакустических приборов подмагничивание осуществляется путем установки постоянных магнитов или введением специального источника постоянного тока.

Характеристика работы магнитострикционного преобразователя без подмагничивания приведена на рис. 6, а с подмагничиванием – на рис. 7.

–H +H

Рис. 6. Характеристика работы

магнитострикционного преобразователя без подмагничивания

Рис. 7. Характеристика работы

магнитострикционного преобразователя с подмагничиванием

Для повышения эффективности преобразователœей частота внешнего возбуждения должна быть равна частоте его собственных колебаний. Частота собственных упругих колебаний стержня зависит от его длины и материала, из которого он изготовлен.

Собственная частота стержня определяется по формуле:

где n – номер гармоники (обычно n = 1);

l – длина стержня, см ;

E – модуль упругости материала, н/м 2 ;

ρ – плотность, кг/м 3 .

Конструкции магнитострикционных преобразователœей

Любой магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционного материала, на котором расположена обмотка из гибкого медного провода с водостойкой изоляцией. Сердечник набирается из тонких штампованных пластин. После штамповки пластины отжигаются. Слой окиси, образующийся на поверхности пластин при отжиге, является хорошим изолятором. Изоляция между пластинами препятствует появлению вихревых токов в сердечнике, и таким образом уменьшает потери энергии на нагрев сердечника.

В поисковых приборах наибольшее распространение получили стержневые магнитострикционные преобразователи. Пластины, из которых набирается стержневые преобразователи, имеют прямоугольную форму с прорезями. Пластины набираются в пакет, представляющий собой замкнутый магнитопровод, на стержнях которого уложена обмотка. Для установки постоянных магнитов, с помощью которых осуществляется постоянное подмагничивание преобразователя, в сердечнике предусматриваются продольные пазы. Конструкция стержневого магнитострикционного преобразователя приведена на рис. 8.

Рис. 8. Стержневой магнитострикционный преобразователь

Излучение и прием акустических колебаний осуществляется торцевыми поверхностями пакета. На одну из торцевых поверхностей обычно наклеивается экран из пористой резины. В таком случае излучение и прием акустических колебаний осуществляется второй торцевой поверхностью, контактирующей с водой. Для того, чтобы развязать колебательную систему от корпуса антенны, между пакетом и корпусом прокладываются резиновые манжеты. Корпус антенны герметически закрывается крышкой, через которую с помощью сальников выводятся провода обмотки.

Иногда в гидроакустических приборах применяются цилиндрические магнитострикционные преобразователи с тороидальной обмоткой. Пакет цилиндрического преобразователя также набирается из тонких отожженных колец с отверстиями. Провод обмотки проходит сквозь отверстия и внутреннюю полость пакета. Переменный ток в обмотке создает магнитное поле, силовые линии которого располагаются по окружности с центром на оси кольца. В результате этого, в кольце возникают усилия, направленные по касательным к силовым линиям и вызывающие радиальные колебания кольца. Для того, чтобы направить колебания в заданном направлении, пакет устанавливается в центре отражателя, имеющего форму конуса с углом раствора 45º.

Устройство кольцевого магнитострикционного преобразователя и способ его установки приведены на рис. 9.

Рис. 9. Кольцевой магнитострикционный преобразователь с отражателœем

Технические характеристики магнитострикционных преобразователœей

Магнитострикционные преобразователи широко применяются в гидроакустической рыбопоисковой аппаратуре благодаря их простоте и надежности. Эти преобразователи имеют высокую механическую прочность и не подвергаются коррозии в морской воде. При изготовлении преобразователœей легко обеспечивается необходимая изоляция обмоток, т. к. для их работы не требуется применение высоких напряжений.

К недостаткам магнитострикционных преобразователœей относятся следующие:

a) невозможность использования высоких рабочих частот: верхний предел излучаемых частот ограничен частотой 60 кГц;

b) сравнительно невысокий КПД (20% – 30 %);

c) низкая чувствительность в режиме приема;

d) зависимость собственной частоты от температуры.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователœей

Работа пьезоэлектрических преобразователœей основана на использовании прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта.

Прямой пьезоэлектрический эффект состоит по сути в том, что под действием механических сил, приложенных к кристаллам некоторых веществ, на поверхностях этих кристаллов появляются электрические заряды, величина которых пропорциональна степени деформации.

В случае если кристалл поместить между двумя электродами, подключенными к источнику переменного напряжения, то он будет претерпевать деформацию, величина и знак которой зависит от напряженности электрического поля и его полярности. Появление механической деформации под действием электрического поля принято называть обратным пьезоэлектрическим эффектом .

Пьезоэлектрическим эффектом обладают многие вещества, как из числа существующих в природе, так и полученных искусственным путем. Из природных материалов наиболее ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом обладают кристаллы кварца (SiO 2).

Для изготовления антенн гидроакустических приборов наиболее часто применяется титанат бария (BaTiO 3 ). Этот материал представляет собой пьезокерамику, получаемую путем обжига смеси порошков двуокиси титана и углекислого бария при температуре 1400º.

Затем образцы шлифуются, и на них наносятся электроды путем вжигания серебра в рабочие грани керамики. После этого керамику поляризуют.

В неполяризованной керамике отдельные хаотически расположенные кристаллики имеют области (домены) с различным направлением электрических моментов. Под воздействием сильного электрического поля (напряженностью 15 – 20 кВ/см 2) происходит переориентация электрических моментов отдельных доменов кристалликов и появляется результирующая поляризация образца. Эта поляризация сохраняется после снятия внешнего электрического поля.

Кроме титаната бария, для изготовления акустических антенн применяется цирконат–титанат свинца, а также синтетические кристаллы сегнетовой соли (NaKC 4 H 4 O 6 · 4H 2 O ) и дигидрофосфата аммония (NH 4 H 2 PO 4 ).

Форма естественного кристалла кварца приведена на рис. 10. Ось z–z , проходящая через вершины кристалла, принято называть его оптической осью.

z z

Рис. 10. Кристалл кварца

Кроме оптической оси, у кристаллов существуют электрические и механические оси.

В случае если вырезать из кристалла кварца восьмигранную пластину перпендикулярно его оптической оси, то ось x–x , перпендикулярная оси через z–z и проходящая через взаимно противоположные вертикальные ребра кристалла, принято называть электрической осью . Ось y–y, перпендикулярная оси z–z и двум противоположным боковым граням кристалла, принято называть механической осью. Полученная таким образом восьмигранная пластина имеет три электрических и три механических оси.

В случае если теперь из полученной восьмигранной пластины вырезать прямоугольную пластинку таким образом, чтобы ее грани были перпендикулярны трем указанным осям, а наибольшая грань была перпендикулярна оси x–x , то такая пластинка будет обладать пьезоэлектрическим эффектом. Эта пластинка принято называть пластинкой X -cреза или среза Кюри.

При воздействии механической силой F x , на грани, перпендикулярные оси x–x , возникает прямой продольный пьезоэффект (направление давления совпадает с электрической осью). В таком случае между этими гранями появляется напряжение:

где l, b, h – длина, ширина и толщина пластины;

ε – диэлектрическая проницаемость материала;

d x – коэффициент пропорциональности, который принято называть

пьезоэлектрическим модулем.

В случае если приложить механическую силу F y к граням, перпендикулярным оси y–y , то возникает прямой поперечный пьезоэффект (направление внешнего усилия перпендикулярно к оси x–x ). В этом случае появляется напряжение противоположной полярности:

U = – ;

Для получения обратного пьезоэффекта эту же пластинку Х -среза крайне важно поместить в электрическое поле так, чтобы ось х– х совпадала с направлением силовых линий поля. При этом пластинка деформируется как в направлении оси х– х , так и в направлении оси y–y . Под воздействием обратного продольного пьезоэффекта толщина пластины h увеличится на величину:

Δ h = d x · U ;

Одновременно под воздействием обратного поперечного пьезоэффекта длина пластины l уменьшится на величину:

Δ l = – d x U .

В любом случае частота механических колебаний равна частоте электрических колебаний.