Свойства акустических преобразователей

Механические свойства. Подвижная система ЭАП обладает механическим сопротивлением, которое определяется по формуле (XII. 3). Это сопротивление обычно имеет резонансный характер.

Рис. XII. 1. Механические свойства ЭАП: а — схема подвижной части ЭАП; б — эквивалентная механическая схема системы с одним резонансом; в — частотная характеристика системы

Вообще говоря, резонансов в подвижной системе может быть много. Однако чаще всего приходится считаться с одним из них. Механическая система, изображающая такую подвижную часть, показана на рис. XII. 1, а и б. Массивный элемент подвижной части удерживается в положении равновесия гибким элементом с. Сила приложенная, например, со стороны звукового поля, приводит в колебание эту систему. Потери, возникающие при деформации гибкого элемента, при трении о воздух и т. п. изображены элементом

Соотношение между амплитудой силы и скорости движения массивного элемента

Три случая для разных областей частот изображены на рис. XII. 1, в. При конструировании ЭАП обычно пользуются одной из приведенных выше трех областей работы механической подвижной системы.

Электрические свойства, определяемые величиной зависят от типа ЭАП. Для преобразователей, основанных на магнитном принципе, представляет собой практически чисто индуктивное или чисто активное сопротивление, а на электрическом — практически чисто емкостное.

Акустические свойства описываются направленностью и сопротивлением излучения.

Направленность акустического преобразователя. Взаимодействие с акустическим полем или полем вибраций зависит от соотношения размеров акустической системы и длины волны звука в среде, с которой связан преобразователь и, кроме того, от соотношения межу этими же размерами и расстоянием до данной точки поля (или до источника звука).

Акустическая часть излучателя или приемника (его «антенна») обладает чувствительностью, зависящей от направления прихода звуковой волны. В большинстве случаев максимальная чувствительность совпадает с осью антенны. Простейшими видами характеристик направленности являются следующие.

Ненаправленная характеристика (рис. XII. 2, а), косинусоидальная (дипольная) характеристика, являющаяся поверхностью тела вращения относительно оси антенны где — угол между направлением: прихода волны и осью антенны (рис. XII. 2, б), кардиоидная характеристика также являющаяся телом вращения (рис. XII. 2, в).

Такими характеристиками, не зависящими от частоты, обладают антенны, размер которых меньше 1/6 длины волны принимаемых колебаний. Характеристики направленности антенн, сравнимых с длиной волны и больших ее, существенно зависят от конфигурации антенны. Антенна в виде плоского диска имеет характеристику (диаграмму) направленности вида

где — волновое число;

а — радиус диска;

К — длина волны.

Антенна в виде прямоугольной пластины имеет характеристику:

где — размеры сторон прямоугольной антенны;

— углы, определяющие направление прихода волны (см. рис. XII. 2, г).

Формулы для дисковой и прямоугольной антенн являются точными только в том случае, если антенны лежат на плоской неподвижной границе полупространства. Однако в тех случаях, когда они могут применяться и без этого ограничения.

Рис. XI 1.2. Акустические свойства ЭАП: а — ненаправленная характеристика; б — направленная косинусоидальная характеристика; в — кардиоидная характеристика; г — диаграмма направленности прямоугольной пластины

Если необходимо получить узконаправленные характеристики, прибегают к групповым антеннам. Антенны каждого из акустических элементов при этом малы по сравнению с длиной волны. Если элементы групповой антенны не направлены и чувствительности всех элементов одинаковы, то для группы из элементов, расположенных на равных расстояниях по прямой, характеристика направленности имеет вид

где число элементов;

— расстояние между соседними элементами;

- волновое число;

Ф — угол между перпендикуляром к прямой, на которой расположены акустические элементы, и направлением прихода волны.

Располагая большое число элементов на плоскости диска или прямоугольника, можно получать диаграммы направленности, близкие по форме к диаграммам плоской, круглой или прямоугольной антенны.

Рис. XII.3. К определению запаздывания волны: а — запаздывание волны к приемнику линейной группы; б — запаздывание волны к приемникам круговой группы

Для расчета диаграммы направленности группы акустических элементов сложной конфигурации можно воспользоваться тем, что она представляет собой произведение соответствующих значений диаграммы такой же группы, но ненаправленных элементов, на значения характеристик Ф, образующих исходную группу. Путем введения звеньев с заданным затуханием в цепи каждого элемента и переключения полярности их выходов можно изменять характеристику направленности, добиваясь уменьшения амплитуд побочных лепестков диаграммы направленности, что важно в следящих и пеленгационных системах.

Фазовое опережение плоской волны, приходящей под углом к акустическому элементу линейной группы (рис. XII. 3, а) составляет

Поэтому, введя контуры в электрические цепи приемников так, чтобы создать запаздывание по фазе

сдвигают максимум диаграммы направленности на угол так как теперь сигналы от элементов будут складываться синфазно при

Острота главного максимума диаграммы направленности уменьшается при увеличении так что изменение диаграммы электрическим путем возможно лишь в ограниченной области углов

Для поворота диаграммы направленности, формируемой из группы акустических элементов, на любой угол в пределах используют круговую группу (рис. XII. 3, б). Введя фазовые запаздывания в цепи элементов группы так, чтобы при приходе плоской волны под углом к направлению оси отсчетов углов (00) сигналы складывались в фазе, получим:

где — радиус круговой группы;

— число элементов приемника;

Ф — угол прихода плоской волны по отношению к 00. Считая, что элемент на 00 соответствует фазовое запаздывание к элементу составит

В соответствии с этой величиной и должны выбираться фазовые запаздывания в электрических цепях ЭАП.

При использовании сигнала с широким спектром частот (например, импульсных или шумовых) электрические напряжения, полученные от отдельных акустических элементов группы, следует задержать по времени относительно друг друга так, чтобы при приходе волны с направления, по которому «нацеливается» максимум чувствительности группы, запаздывания волны к отдельным элементам компенсировались электрическими задержками (сдвигами фаз, пропорциональными частоте в диапазоне частот спектра сигнала).

При практическом осуществлении направленных групп акустических элементов необходимо соблюдение идентичности частотно-фазовых характеристик чувствительности самих элементов группы. Это особенно сложно, когда элементы работают в области своего механического резонанса.

Все сказанное выше относится в равной степени к акустическим излучателям, работающим в газообразной или жидкой среде.

Элементы, излучающие в твердые тела, не имеют столь простых характеристик направленности, так как в упругом теле колебаниями элемента возбуждаются одновременно разные типы волн (сжатия, сдвига, поверхностные), которые могут переходить друг в друга.

Сопротивление излучения ЭАП. При колебаниях излучающей поверхности АИ возникают акустические

переменные давления в среде, которые, в свою очередь, создают силы давления на рабочей поверхности элемента.

Во всех практических случаях активная и реактивная составляющие сопротивления излучения определяются по формулам

где — плотность среды;

с — скорость звука в среде;

— поверхность излучения;

— коэффициенты излучения, зависящие от соотношения между характерным линейным размером (а) излучающей поверхности и длиной волны:

При расчетах акустических излучателей является полезной нагрузкой, по активной составляющей которой вычисляется излученная мощность.

При расчете приемников составляет часть собственного механического сопротивления всей подвижной системы.