Ферромагнитные преобразователи электрической энергии в механическую используют эффект магнитострикции. Сущность этого эффекта состоит в том, что при изменении магнитного состояния изделия из ферромагнитного материала происходит некоторое изменение его размеров. Образец деформируется, и эта деформация возрастает с увеличением интенсивности его намагничивания. Если в ка-честве образца взять стержневой сердечник, снабдить его обмоткой и запитать ее переменным током, то длина сердечника будет периодически изменяться. Электрическая энергия, затрачиваемая на его намагничивание, преобразуется в энергию ме-ханических колебаний, способную возбуждать звуковое поле в упругой среде (в жидкости), в которую помещается рассматриваемый стержень.
1 Физическая сущность явления кавитации выглядит сложнее представленной. При ее возникновении антенна воспринимает также повышенные динамические нагрузки.
Существует и обратный эффект. Если сердечник из ферромагнитного материа-ла, имеющего некоторую остаточную намагниченность, несколько деформировать, т.е. изменить его внутреннее напряжение, то изменится и напряженность магнитно-го поля, связанного с ним. При этом изменение магнитного поля будет происходить практически пропорционально изменению линейного размера сердечника. Это об-стоятельство позволяет магнитострикционные преобразователи использовать и в качестве приемных антенн.
Различают неполяризованные и поляризованные магнитострикционные вибра-торы с устройством которых можно познакомиться, например, в .
Следует отметить, что магнитострикционные вибраторы морально устаревают, уступая место своим конкурентам — пьезокерамическим вибраторам.
Работа последних построена на использовании пьезоэлектрического эффекта, свойственного пьезокерамике на основе титаната бария, метаниобата свинца или цирконата свинца. Сущность эффекта заключается в том, что при подаче напряже-ния на электроды, нанесенные на поверхность вибраторов, происходит их деформа-ция и наоборот, если деформировать вибратор, то на его электродах появится по-тенциал, зависящий от величины этой деформации. Таким образом, указанные виб-раторы можно использовать в качестве приемных и передающих антенн. Пьезоке-рамические вибраторы имеют хорошие эксплуатационные показатели, технологич-ны в изготовлении и надежны в работе.
Пьезокерамическая антенна, как правило, состоит из активного элемента (кера-мики), наклеенного на металлическую накладку (мембрану). При этом путем выбора акустических характеристик керамики и накладки можно в определенных пределах изменять параметры всей антенны.
Параметры излучения, создаваемого антенной, определяются видом ее излу-чающей поверхности. С этой точки зрения все антенны могут быть разделены на точечные, сплошные вибраторы и антенные решетки.
Точечные антенны имеют размеры излучающей поверхности меньшие длины волны излучаемого сигнала. Они создают практически не направленное излучение, т.е. такое, которое в изотропной среде имеет одинаковую интенсивность в различ-ных направлениях.
Сплошные вибраторы имеют размеры, превосходящие длину волны излучае-мых колебаний, и создают излучение, обладающее определенной направленностью. Если вибрирующей поверхностью является плоскость, то максимальное значение звукового давления или интенсивности сигнала будет иметь место в направлении, перпендикулярном плоскости излучателя.
Графическое представление закона изменения звукового давления или другого параметра, характеризующего излучение, в зависимости от направления излучения
у
р0
0,7р0 р
3 3
называется диаграммой направленности ан-тенны (рис. 2.4). Угол , заключенный между двумя векторами, соответствующими вели-чине звукового давления на уровне 0,7 от его максимального значения, определяет ширину диаграммы направленности. В некоторых случаях этот параметр определяется на дру-
гом уровне относительной величины звуко-
1 2
х Рис.2.4
вого давления, который оговаривается до-полнительно.
Степень направленности излучения мож-
но характеризовать и коэффициентом кон-
центрации, который в режиме генерации сигнала равен отношению акустических мощностей, излучаемых ненаправленной и направленной антеннами, создающими сигналы одинаковой интенсивности в выбранном направлении на равном расстоя-нии от центров излучения. Тот же параметр в режиме приема определяется как от-ношение мощностей, развиваемых ненаправленной и направленной антеннами, на-ходящимися в поле изотропных помех, при равных чувствительностях антенн. Иными словами, чем уже диаграмма направленности антенны, тем, при одинаковом уровне распределенных вокруг нее помех, будет меньше выходной сигнал антенны, порождаемый ими. За счет этого при использовании приемных антенн с высоким коэффициентом концентрации удается получить хорошее отношение полезного сиг-нала к сопровождающему его шуму.
Важным параметром, приемной антенны является ее чувствительность, кото-рая характеризует способность антенны качественно преобразовывать звуковую энергию. Она представляет собой отношение напряжения, возникающего на выходе антенны, к воздействующему на нее звуковому давлению. Чувствительность антен-ны является функцией многих параметров, в число которых входит частота прини-маемого сигнала. Зависимость чувствительности антенны от частоты определяется ее частотной характеристикой.
Как правило, антенны настраиваются на определенную резонансную частоту, при которой они имеют максимальную чувствительность. При отклонении частоты принимаемого сигнала от резонансной снижается чувствительность антенны, а вме-сте с ней и уровень выходного напряжения. Диапазон частот, в рамках которого чувствительность приемной антенны или звуковое давление передающей снижают-
ся до уровня, равного 0,7 (в отдельных случаях может быть принято другое значе-ние) от их максимальной величины, называется полосой пропускания антенны. Ширина этой полосы выбирается в соответствии с характером решаемой задачи.
Антенная решетка представляет собой сочетание точечных вибраторов, кото-
=0 = 1
A d B A d B
рые запитываются таким образом, чтобы
получить желаемую диаграмму направ-
1
2 C pm 1
pm Рис.2.5
ленности. Рассмотрим два точечных виб-ратора А и В (рис. 2.5), расстояние между которыми равно d. Если эти вибраторы питаются синфазным напряжением (фаза
=0), то фаза волн, образуемых ими, на
одинаковом удалении от них будет одной и той же. Фронты 1 и 2 общей волны бу-дут параллельны базе антенной решетки, а направление максимума излучения будет перпендикулярно ей. В рассматриваемом случае диаграмма направленности антен-ны будет аналогична диаграмме сплошного вибратора.
Если напряжение питания вибратора В отстает по фазе от напряжения питания вибратора А на величину 1, то в момент излучения первым элементом волны, с фа-зой равной нулю, вторая волна от элемента А уже пройдет расстояние АС, равное
АС 21. (2.8) Фронт общей волны будет повернут относительно базы антенны на угол
arcsin AC arcsin1 . (2.9)
Из выражения (2.9) следует, что угол наклона направления максимума излучения относительно базы антенны зависит от разницы фаз напряжений, питающих вибра-торы. Это позволяет создавать антенны не только с произвольно ориентированным лу-
чом, но и с лучом, изменяющим свою ориентацию во вре-А В С мени.
1 2 Антенная решетка позволяет создавать многолучевое
рт1 Рис.2.6
излучение. Так, если три вибратора, расположенные на рт2 одной линии (рис. 2.6), питаются таким образом, что
крайние элементы А и С имеют фазовое отставание на
некоторый угол относительно вибратора В, то по вышеизложенным соображениям система будет генерировать два симметричных луча. Если расположить еще два вибратора в перпендикулярной плоскости, то будут образованы четыре луча.