2.13. Импеданс 107

всем направлениям. Из этого следует, что отношение чувствительности в свободном поле к чувствительности в диффузном поле равно , а разность составляет Di, если чувствительность выражена в виде 201gM. Этот метод теоретически выглядит очень просто, однако он редко упоминается в литературе и использовался очень мало [52]. Основным недостатком метода является дороговизна постройки достаточно большой ревербе-рационной камеры, в которой можно создать удовлетворительные условия диффузного поля.

2.13. ИМПЕДАНС

Под импедансом электроакустического преобразователя обычно понимают электрический импеданс, измеренный на его электрических зажимах. Если этому понятию придают другое значение, то его поясняют. Например, можно сказать, что мягкий преобразователь имеет «низкий акустический импеданс». Электрический импеданс наряду с чувствительностью или уровнем чувствительности и диаграммой направленности является обычным и общепринятым параметром при градуировке и оценке свойств электроакустических преобразователей. Импеданс служит для трех целей: 1) дает информацию о согласовании импедансов между преобразователем и электронным излучающим или приемным оборудованием; 2) используется при вычислении к. п. д. преобразователя и возбуждающего напряжения по известным чувствительностям по току (или наоборот); 3) является средством аналитического исследования характеристик преобразователя.

Импедансы обычно измеряют широкополосными импеданс-ными мостами, и теоретически такое измерение не отличается от измерения импедансов резистора, конденсатора или катушки. Но на практике необходимо учитывать несколько важных соображений. Акустический преобразователь должен иметь соответствующую акустическую нагрузку - обычно это свободное поле. Подводный преобразователь должен быть погружен в воду, и влияние отражений должно быть пренебрежимо малым. Простой процедурой, позволяющей оценить влияние граничных отражений, является измерение импеданса в нескольких положениях или при нескольких ориентациях. Важную роль обычно играют условия заземления; неправильное заземление может привести к ошибочным результатам. Величина импеданса может зависеть от того, какой из двух зажимов преобразователя заземлен, или от того, заземлен ли какой-либо вообще. Когда один из зажимов заземлен, включение называется несимметричным. Если оба зажима не заземлены и имеют один и тот же потенциал относительно земли, то включение называют

108 Гл II. Методы и теория

симметричным. Экран кабеля при несимметричном включении может быть присоединен к земле или оставлен «плавающим». Условия заземления в соленой воде отличаются от условий заземления в пресной. Если кабель длинный, порядка 30 м или более, то величина импеданса может зависеть от того, свернут он или вытянут, и от того, находится он в воде или нет. Эти. эффекты обусловлены влиянием паразитных емкостей и индуктив-ностей и сильнее всего проявляются на ультразвуковых частотах. Все эти эффекты наблюдаются как при градуировке преобразователей, так и при измерениях импеданса. Общее правило состоит в том, чтобы условия заземления и соединения при измерении импеданса и чувствительности по возможности были близки к условиям реального использования преобразователей.

Переход от последовательных импедансов к параллельным импедансам или адмитансам и наоборот осуществляется по следующим формулам:

. D= (2 91>

(i?p/Xp)2 + l - (B/G)2 + l -r

(Xp ?p)2+-l == (0/)2 + 1 . (2-92)

где R - сопротивление, X - реактивное сопротивление, G - активная проводимость, В - реактивная проводимость, а индексы S и р указывают на последовательное или параллельное включение соответственно. Три способа выражения импеданса связаны между собой следующим образом:

Четкое понимание природы импеданса электроакустического преобразователя необходимо при его использовании как аналитического средства. Хотя импеданс измеряется электрическим путем, он зависит от механических и акустических (или радиационных) характеристик преобразователя. Механическая масса, жесткость или гибкость и сопротивление дают свой вклад в электрический импеданс через характеристики электромеханической связи, т. е. через пьезоэффект, магнитострикционный эффект, э. д. с, наведенную в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии, и т. д. Характеристики среды также

дают вклад в электрический импеданс, так как среда воздействует на колеблющийся чувствительный элемент. Следовательно, импеданс преобразователя можно разделить на несколько частей. Чисто электрическая часть - это та часть импеданса, которую можно было бы измерить, если предотвратить колебания преобразователя; она называется импедансом заторможенного преобразователя 2ь. Разность между импедансами колеблющегося и заторможенного преобразователя называется динамическим импедансом Zm, так как он обусловлен колебательным движением. Динамический импеданс представляет собой электрический импеданс, измеряемый в омах, несмотря на то что он обусловлен механическим движением. Динамический импеданс состоит из двух частей: 1) часть, соответствующая механическому импедансу Zm. колеблющегося элемента преобразователя, и 2) часть, соответствующая акустическому импедансу Zr, обусловленному реакцией среды на диафрагму.

Таким же образом можно определить адмитанс заторможенного преобразователя и динамический адмитанс.

Связь динамического импеданса или адмитанса с Zm и Zr имеет комплексный характер и зависит от типа используемой электромеханической связи. Это значит, что она зависит от того, какой связью обладает преобразователь: электрической (пьезоэлектрический, конденсаторный) или магнитной (магнитострик-ционный, электродинамический и т. д.). Как измеряемый электрический импеданс может зависеть от механического движения, так и механические импедансы могут зависеть от электрического тока. Механический импеданс преобразователя есть отношение сила/скорость в некоторой определенной точке (или на механической стороне). Этот механический импеданс неодинаков при разомкнутой и закороченной электрической цепи. Поэтому разделяют механический импеданс в режиме холостого хода Zocm и механический импеданс в режиме короткого замыкания Zscm.

Можно показать, что электрическим аналогом преобразователя является схема, приведенная на рис. 2.51. Величина фе есть электромеханический коэффициент, или коэффициент пропорциональности между механической силой и электрическим напряжением в преобразователе. Аналогично фт есть коэффициент пропорциональности между механической силой и электрическим током. Рис. 2.51, а относится к преобразователям с электрической связью, а рис. 2.51, б - к преобразователям с лшгнитной связью.

По аналитическим соображениям различные составляющие ичпеданса на рис. 2.51, а легче всего определить, измеряя адмитанс цепи. Пусть Z=l/y, Zb=ylYb и Ум - динамический адмитанс.