Гидроакустические преобразователи для излучения и приема акустических волн

1. Современные автоматизированные системы управления движением судов

Лекция №10
Тема: «Бортовые акустические измерители глубин, дистанций и
направлений. Часть 2: Гидроакустические преобразователи для излучения
и приема акустических волн»
Учебные вопросы и распределение времени:
Вступление...............................................................................................5 мин.
1. Магнитострикционные преобразователи........................................40 мин.
2. Пьезоэлектрические преобразователи ……………........................30 мин.
Выводы и ответы на вопросы.................................................................5 мин.

2. Учебная и воспитательная цель: «Формирование у студентов целостного представления о современных автоматизированных системах

управления
движением судов»
Учебная литература:
1. Алексишин В.Г., Козырь Л.А., Короткий Т.Р. Международные и
национальные стандарты безопасности мореплавания. Одесса: «Латстар», 2002.-257с.
2. Золотов В.В., Фрейдзон И.Р. Управляющие комплексы
сложных корабельных систем.-Л.: «Судостроение», 1986.-232с.
3. Вагущенко Л.Л. Интегрированные системы ходового мостика.
- Одесса: «Латстар», 2003.-170с.
4. Вагущенко Л.Л., Вагущенко А.Л., Заичко С.И. Бортовые
автоматизированные системы контроля мореходности. Одесса: «Фенікс», 2005.-272с.
5. Вагущенко Л.Л. Судовые навигационно-информационные
системы. - Одесса: «Латстар», 2004.-302с.

3.

Излучение и прием акустических колебаний в гидролокации производятся
акустическими антеннами. Основным элементом акустических антенн являются
электроакустические преобразователи (вибраторы), обладающие способностью
преобразовать электрическую энергию в механическую и наоборот.
При излучении в таком вибраторе под действием
переменного электрического или магнитного поля
излучающая поверхность приходит в состояние
колебаний, которые передаются водной среде.
В
вибраторе-приемнике
принимающая
поверхность под воздействием отраженной акустической
волны начинает совершать механические колебания,
которые преобразуются в электрический сигнал.
В настоящее время для изготовления гидроакустических преобразователей применяют
магнитострикционные и пьезоэлектрические материалы.

4.

Магнитострикционные преобразователи
Явление изменения линейных размеров ферромагнитных тел (никеля, кобальта, железа,
пермаллоя и др.) при изменении напряженности магнитного поля или изменении
магнитного состояния этих тел вследствие деформации под действием механических
сил называется магнитострикцией.
Изменение линейных размеров ферромагнитного образца при
помещении его в магнитное поле вдоль магнитных силовых линий
называется прямым продольным магнитострикционным эффектом
(эффектом Джоуля).
Характер и степень деформации зависят от материала образца,
способа его обработки, предварительного намагничивания и
температуры.
Если при увеличении напряженности магнитного поля длина ферромагнитного стержня
увеличивается, то эффект называется положительным, если укорачивается — то
отрицательным.
Наибольшим значением магнитострикции обладает никель, который широко
используется в качестве материала для гидроакустических преобразователей.

5.

Магнитострикционные преобразователи
Знак деформации ферромагнетика не зависит от направления
приложенного магнитного поля.
Если через обмотку, наложенную, например, на никелевый
стержень, пропускать переменный ток частотой w, частота
механических колебаний стержня будет в 2 раза больше
частоты переменного тока, проходящего по обмотке.
В предварительно намагниченном (поляризованном)
никелевом стержне переменное магнитное поле
напряженностью
H=Hm sin(wt) накладывается на
постоянное поле поляризации Ho. При этом суммарное
магнитное поле H=Ho+ Hm sin(wt) изменяется только
по значению от Hmin, до Hmax, оставаясь неизменным
по направлению. Поэтому размеры стержня
изменяются в соответствии с изменением
напряженности магнитного поля. Следовательно,
частота механических колебаний стержня равна
частоте переменного тока, проходящего по обмотке.
Поляризованный стержень позволяет получить большие
одинаковых амплитудах переменного магнитного поля.
деформации
при

6.

Магнитострикционные преобразователи
Изменение напряженности магнитного поля поляризованного
ферромагнитного стержня вследствие изменения его размеров под
действием
внешних
сил
называется
обратным
магнитострикционным эффектом (эффект Виллари).
Он используется в вибраторах-приемниках для преобразования
механических колебаний в электрические.
По конструкции вибратор-приемник аналогичен вибратору-излучателю,
но его сердечник (стержень) должен быть обязательно поляризован.
Основные уравнения магнитострикции были эмпирически получены известными
физиками Джоулем и Виллари еще в начале прошлого века:
эффект Джоуля
l J 2H
эффект Виллари
H
l - деформация образца;
и - магнитострикционные константы;
JH
интенсивность
намагничивания
(поляризации);
H - изменение напряженности магнитного
поля;
- механическое напряжение.

7.

Магнитострикционные преобразователи
Магнитострикционные
преобразователи
гидроакустических приборов не делают из целого
куска металла, так как в них происходят большие
потери. энергии на магнитный гистерезис и вихревые
токи. Пакеты вибраторов набирают из тонких пластин
(0,1 мм) отожженного никеля. Отжиг повышает
магнитострикционный эффект и снижает потери на
гистерезис.
По конструкции магнитострикционные вибраторы подразделяются на полосовые
(стержневые) и кольцевые.

8.

Магнитострикционные преобразователи
Наиболее
распространены
полосовые
вибраторы, пакеты которых набирают из
прямоугольных — чаще всего никелевых
— пластин с вырезами. Количество
стержней в пакетах может быть четным или
нечетным, но не менее двух.
Пакет вибратора укрепляют в корпусе, от
которого его для уменьшения вибрации
изолируют прокладками из губчатой резины.
Корпус
вибратора,
например
эхолота,
устанавливают в прорези днища судна так,
чтобы нижняя торцовая часть пакета
располагалась заподлицо с обшивкой корпуса
судна и соприкасалась с забортной водой.

9.

Магнитострикционные преобразователи
Кольцевой
(цилиндрический)
магнитострикционный преобразователь набирают
из тонких кольцевых пластин. В пластинах
имеются отверстия, через которые пропущена
обмотка. Магнитные силовые линии проходят по
окружностям, расположенным в плоскостях,
перпендикулярных оси цилиндра.
Для получения прямого магнитострикционного
эффекта через обмотку вибратора-излучателя
пропускают мощный импульс переменного, тока.
Под действием переменного магнитного поля
пакет никелевых пластин начинает совершать
механические колебания с частотой переменного
тока,
протекающего
по
обмотке
(при
использовании
поляризованного
вибратора).
Механические колебания вибратора передаются
воде или промежуточному слою жидкости, что и
приводит к образованию акустических волн.

10.

Магнитострикционные преобразователи
Для того чтобы увеличить интенсивность излучаемого импульса стержневого
вибратора, вертикальный размер никелевого пакета выбирают из расчета наступления
резонанса. При равенстве частот собственных механических колебаний пакета и
колебаний магнитного поля быстро увеличивается амплитуда ультразвукового
импульса и уменьшается время ее роста (импульс имеет крутой передний фронт).
Вибраторы-излучатели
обычно характеризуются
акустико-электрическим
коэффициентом полезного действия, который представляет собой отношение
излучаемой акустической мощности к потребляемой вибратором электрической
мощности:
Pа Р эл
К.П.Д. магнитострикционных вибраторов составляет 30—50%.

11.

Магнитострикционные преобразователи
К достоинствам магнитострикционных преобразователей
относятся:
простота изготовления, высокая механическая прочность, антикоррозионные
свойства, экономичность, использование сравнительно низкого напряжения.
К недостаткам таких преобразователей можно отнести: ограниченный
верхний частотный предел (практически 60 кГц), сравнительно малый к.п.д.
и его уменьшение с увеличением частоты, большие масса и размеры,
сравнительно малая чувствительность принимающего вибратора и
необходимость периодического подмагничивания, существенное влияние
температуры на собственную частоту.

12.

Пьезоэлектрические преобразователи
Действие этих преобразователей основано на использовании пьезоэффекта, которым
обладают некоторые естественные и синтетические материалы: кварц, сегнетовая
соль, дигидрофосфат аммония, титанат бария, пьезокерамика титаната бария и
цирконататитаната свинца.
Явление пьезоэффекта состоит в том, что
при деформации сжатия или растяжения
(в
определенных
направлениях)
на
поверхности кристаллов появляются
электрические
заряды,
значение
которых
прямо
пропорционально
степени деформации, а их полярность
зависит от знака деформации. Это
явление было открыто братьями Кюри в
1880 г. и получило название прямого
пьезоэлектрического эффекта.

13.

Пьезоэлектрические преобразователи
Пьезоэлектрики
характеризуются
четырьмя
кристаллическими осями. Одна из этих осей - Z соединяет
вершины пирамид. Три другие X1, Х2, Х3 перпендикулярны к
оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной
призмы.
Направление,
определяемое
осью
Z,
пьезоэлектрически неактивно: при сжатии или растяжении по
этому направлению никакой поляризации не происходит.
Напротив, при сжатии или растяжении в любом направлении,
перпендикулярном к оси Z, возникает электрическая
поляризация. Ось Z называется оптической осью кристалла, а
оси X1, Х2, Х3 - электрическими или пьезоэлектрическими
осями.
Если же такой кристалл поместить в электрическое поле, то он будет
претерпевать деформацию, значение и знак которой зависят соответственно от
напряженности электрического поля и его полярности — это обратный
пьезоэлектрический эффект.

14.

Пьезоэлектрические преобразователи
Уравнения пьезоэффекта:
прямого
обратного
U d
l dE
U - электрическое напряжение на обкладках;
d - пьезомодули;
- напряженность внешней механической силы;
l- механическая деформация кристалла;
Е - напряженность электрического поля.
Прямой пьезоэффект используется в приемниках, обратный - в излучателях. Первыми
пьезоэлектрическими
вибраторами
были
кварцевые.
Однако
большого
распространения они не получили вследствие дороговизны, малой механической
прочности и относительно небольшой чувствительности.
В
настоящее
время
в
качестве
пьезоэлектрического
материала
для
изготовления вибраторов широко применяется
керамика титаната бария и цирконататитаната свинца. Поскольку пьезокерамику
получают
путем
прессования,
можно
изготовить вибратор любой формы.

15.

Пьезоэлектрические преобразователи
К достоинствам пьезоэлектрических преобразователей относятся: малые размеры и
масса, высокая чувствительность, возможность работы на высоких частотах и
взаимозаменяемость.
К недостаткам таких преобразователей следует отнести: низкую механическую
прочность, ограничения по температуре, сложную технологию изготовления
(пьезокерамика нё имеет первоначальной ориентации кристаллографических осей,
поэтому ее предварительно нужно поляризовать, помещая в электрическое поле
большой напряженности).