Процессы излучения и приема гидроакустических
колебаний
Рассмотрим далее процессы излучения и приема
гидроакустических колебаний. Способы преобразования электрической
энергии в акустические колебания и обратно в гидролокации основаны на
пьезоэлектрическом, электрострикционном или магнитострикционном эффекте.
Обнаруженный Пьером Кюри пьезоэлектрический эффект возникает в
кристаллах некоторых веществ при действии на них в определенном
направлении механических колебаний. При действии изгибных механических
колебаний на кристалл, обладающий пьезоэлектрическим свойством, на двух
противоположных его гранях образуется разность потенциалов,
пропорциональная величине воздействующего механического колебания. Этот
процесс называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Наоборот, при
подаче на кристалл электрического колебания в нем возникают изгибные
механические колебания. Данный процесс был назван обратным
пьезоэлектрическим эффектом. В качестве пьезоэлектрических материалов
используется в основном кварц, дигндрофосфат аммония и сегнетовая соль.
Наибольшее распространение получил дигндрофосфат аммония — материал
довольно хрупкий, но обладающий очень стабильным и ярко выраженным
пьезоэлектрическим свойством.
Под воздействием электрического поля могут возникать не только изгибные
деформации кристалла. В некоторых материалах при определенных условиях
под воздействием электрического поля происходит изменение продольных и
поперечных размеров. Это явление называется прямым электрострикцнонным
эффектом. Под воздействием механического колебания возникает поляризация
электрострнкционного материала. Это — обратный электрострикционный
эффект. Наиболее распространенные материалы для электрострикционных
преобразователей— тнтанат бария с присадками свинца, стронция или
кобальта и цнрконат свинца. Из этих материалов, представляющих собой
керамическую массу, формуются диски, трубки, кольца, пластины и т. п.
Магнитострикционный эффект является аналогом электрострикции. Если
ферромагнитный стержень поместить в магнитное поле тока обмотки так,
чтобы магнитные. силовые линии поля проходили вдоль стержня, то при
изменении напряженности магнитного поля длина стержня будет изменяться.
Это—прямой магнитострикционный эффект. Знак деформации неполяризованного
стержня не зависит от знака поля. Поэтому частота изменения длины
стержня будет в два раза выше частоты изменения напряженности магнитного
поля. Если стержень поляризован, то частота изменения его длины равна
частоте изменения знака поля. Гели к намагниченному стержню приложить
механическое колебание (поочередно сжимать и растягивать стержень), то
изменяется напряженность магнитного поля внутри стержня. В этом состоит
обратный магнитострикционный эффект. Изменения магнитного поля
индуцируют в обмотке, наложенной на стержень, ЭДС, пропорциональную
приложенному механическому усилию. В качестве магнитострикционных
материалов чаще всего используется чистый никель. Может также
использоваться кобальтовая сталь. Стержень преобразователя изготовляется
в виде набора тонких пластин для уменьшения вихревых токов.
Вода как среда, окружающая преобразователь, оказывает существенное
влияние на его работу. Из всех форм влияния рассмотрим две: влияние
кавитации и влияние глубины. Кавитация ограничивает удельную
акустическую энергию излучения (относительно единицы поверхности
преобразователя). При возникновении кавитации интенсивность излучаемого
акустического колебания не увеличивается пропорционально напряжению на
входе преобразователя, а стремится стать постоянной. Порог кавитации, т.
е. величина удельной излучаемой энергии, при которой возникает
кавитация, зависит от гидростатического давления, парциального давления
растворенных в воде газов, устойчивости газовых пузырьков и т. п. На
процесс кавитации оказывают влияние следующие основные характеристики
воды и сигнала: вязкость воды (с увеличением вязкости повышается порог
кавитации), температура (с повышением температуры снижается порог
кавитации), гидростатическое давление (при погружении преобразователя на
глубину больше 10 м порог кавитации повышается пропорционально
гидростатическому давлению), насыщенность воды газом (при повышении
парциального давления газа в воде порог кавитации снижается), частота
(на резонансной частоте пузырьков газа в воде порог кавитации резко
падает), длительность импульса (вследствие инерционности процесса
возникновения кавитации при уменьшении длительности импульса
интенсивность излучаемого колебания можно повышать) [38].
В тех случаях, когда необходимо поднять порог кавитации, преобразователь
помещают в герметичный обтекатель, заполненный обезгаженной жидкостью
(например, касторовым маслом) при повышенном давлении [24].
Влияние глубины на работу преобразователя состоит в том, что под
воздействием внешнего гидростатического давления происходит деформация
излучающего элемента преобразователя, что при значительных давлениях
может привести к появлению нелинейности в работе преобразователя и к
снижению его эффективности и чувствителъности. Дело осложняется тем,
что, как правило, преобразователи работают на различных глубинах и
учесть заранее влияние гидростатического давления весьма сложно. Поэтому
часто используются конструкции корпусов преобразователей, снимающие
внешнее давление воды. Вибрирующий элемент преобразователя помещается
внутри цилиндра, закрытого высокопрочной стальной пластиной,
обеспечивающей герметичность корпуса преобразователя и снимающей внешнее
давление воды [24].
Особую трудность вызывает преобразование низкочастотных акустических
колебаний. Для этой цели используются некоторые специфические способы
генерации звука в воде. Среди них взрывной, искровой и
электродинамический.