6.                 по назначению — излучатели и приемники;

7.                 по принципу действия — генераторные и параметрические преобразователи.

Рассмотрим сначала излучатели акустической энергии. В излучателях генераторного типа колебания возбуждаются вследствие наличия препятствия на пути постоянного потока — струи газа или. В параметрических излучателях заданные колебания электрического напряжения или тока преобразуются в механические колебания твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Жидкостные механические излучатели часто основываются на возбуждении колебаний твердой излучающей системы при натекании на нее струи Такие излучатели используют в звуковом и низкочастотном ультразвуковом диапазонах. Их недостатком является невозможность получения монохроматического излучения, а также излучения звуковых сигналов строго заданной формы (спектр их сложен и определяется конструкцией и режимом работы). КПД генераторных преобразователей составляет 5. ..50 %.

Параметрические излучатели подразделяют на две группы: обратимые преобразователи и громкоговорители. Эффективность излучателя зависит от соотношения между его размерами и длиной волны. При расчетах реальных АЛС чаще всего пользуются моделями излучателей нулевого, первого, второго, ..., n-го порядка. Излучатель нулевого порядка — монополь — представляет собой пульсирующую сферу с конечным радиусом r, которая создает в окружающей среде сферические волны. При заданной частоте мощность излучения определяется объемной скоростью излучателя независимо от его размеров.

Еще одним простейшим излучателем является акустический диполь (излучатель первого порядка). Он представляет собой сферу, осциллирующую около положения равновесия, а его излучение не имеет сферической симметрии и характеризуется направленностью. Диаграмма направленности диполя — тело вращения в виде восьмерки. Промышленные ультразвуковые излучатели, широко применяемые в системах гидроакустической связи, подводных роботах и других подводных системах, представляют собой наборную конструкцию (пакет) из диполей.

Рис. 3.1. Схемы гидроакустических излучателей с продольным (а) и поперечным (б) пьезоэффектом (стрелками показаны направления колебаний)

На рис. 3.1 представлены два гидроакустических излучателя. Оба представляют собой короткие полые цилиндры (кольца). Электроды первого установлены снаружи и изнутри цилиндра, второго — собраны из отдельных секций. Некоторые параметры излучателей представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1.Параметры пьезокерамических излучателей

Приемники звука в зависимости от частотного диапазона разделяют на две группы: параметрические ультразвуковые приемники и микрофоны. И те и другие, как правило, устроены по принципу обратимых электроакустических преобразователей. Для них характерна линейная функция преобразования, что позволяет точно воспроизводить форму возбуждающего сигнала как в режиме приема, так и излучения. Как правило, электроакустические преобразователи обладают сравнительно узкой частотной характеристикой, что позволяет применять их в мобильных системах связи. Для повышения эффективности в конструкциях датчиков используют явления резонанса.

Задачей электроакустических преобразователей является определение звукового давления р в поле излучателя по известным значениям напряжения и тока на его входе и, наоборот, расчет напряжения или тока на выходе приемника по заданному полю (давлению р и колебательной скорости ). Электроакустические преобразователи ЛС строят на базе ДДВ. В рабочем диапазоне частот применяют пьезоэлектрические, магнитострикционные, электростатические и электродинамические датчики.

Самым распространенным способом преобразования информации в электроакустических преобразователях является прямой и обратный пьезоэффект. При этом в режиме излучения используется обратный пьезоэффект, в режиме приема — прямой. Механическая колебательная система обычно представляла собой составную конструкцию, включающую пьезокерамические или кристаллические диски (стержни), зажатые между двумя металлическими блоками. В настоящее время появились пьезоэлектрические громкоговорители и микрофоны, работающие в звуковом диапазоне 0,100...20 кГц1. Частотные свойства пьезоэлектрических датчиков зависят от условий эксплуатации: в одних случаях их делают резонансными, других — широкополосными. Исходя из этого, выбирают и размеры.

Самым распространенным типом акустического приемника является микрофон. В зависимости от принципа действия различают шесть основных типов микрофонов: порошковые угольные, электродинамические, электростатические (конденсаторные и электретные), пьезоэлектрические, электромагнитные и полупроводниковые. Отличие электретного микрофона от конденсаторного заключается в том, что роль неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения в нем играет пластина из электрета. Недостатком его является высокое выходное сопротивление, что требует применения истокового повторителя. Действие полупроводниковых микрофонов основано на изменении сопротивления эмиттерного перехода транзистора под действием звукового давления на связанную с ним диафрагму. Несмотря на достаточно высокую чувствительность для полупроводниковых микрофонов характерна значительная неравномерность частотной характеристики, поэтому их, как порошковые и электромагнитные, применяют только в простых акустических устройствах.

В современных системах звукозаписи, как правило, используют электродинамические и конденсаторные (чаще электретные) микрофоны. Они представляют собой последовательную цепь преобразователей, содержащую, как правило, четыре каскада преобразования информации: акустический (приемный), акустико-механический, механоэлектрический и электрический (согласующий).

Рис. 3.2. Диаграммы направленности микрофона: 1— круговая; 2 — восьмеркообразная; 3 — кардиоида

В особую группу выделяют комбинированные микрофоны, или микро фоны с переменной диаграммой направленности. В них форма диаграммы определяется напряжением поляризации на электродах. Электродинамические микрофоны в зависимости от конструкции механической колебательной системы подразделяют на катушечные и ленточные. Ленточный микрофон обладает наиболее естественной передачей звука. Конденсаторные микрофоны бывают одно- и двухмембранные.

Важнейшим требованием, предъявляемым к микрофонам, является равномерность их АЧХ. У микрофонов с неравномерной АЧХ возникают нелинейные искажения при передаче звука, которые могут привести к самовозбуждению акустической системы. На рис. 3.3 представлены АЧХ электродинамического и электретного микрофонов. Как видно на рисунке, АЧХ электретного микрофона существенно равномернее, чем электродинамического.

Рис. 3.3. АЧХ электродинамического микрофона МД-78 (а) и электретного микрофона МКЭ-2 (б)

Отдельный класс составляют направленные микрофоны, использующие резонансные схемы и параболические отражатели. В табл. 3.2 представлены типовые характеристики микрофонов разных типов.

Таблица 3.2 Сравнительный анализ микрофонов различных типов

Для работ в водной среде достаточно широко применяют преобразователи из магнитострикционных материалов (никеля, железокобальтовых сплавов или феррита), сердечник которых имеет форму стержня или кольца. В режиме излучения в этих устройствах используется магнитострикционный эффект (деформация ферромагнетика, помещенного в переменное магнитное поле), в режиме приема — магнитоупругий эффект (переменные деформации вызывают изменение магнитной проницаемости ферромагнетика и появление ЭДС). Магнитострикционные преобразователи работают приблизительно в том же частотном диапазоне, что и пьезоэлектрические, но обладают значительно большей акустической мощностью. Их КПД при работе в жидкости и в твердых телах в диапазоне низких и средних частот достигает 80 %. КПД преобразователей, работающих в гиперзвуковом диапазоне частот, существенно ниже. Для них используют специальные материалы на основе магнитострикционных пленок из никеля, пермаллоя или др.

Страницы: 1, 2, 3