Отдельные векторы, показанные на рис. 2.52, б, соответствуют частоте механического резонанса, т. е. частоте, при которой импеданс Zm+Z,. минимален и Ум имеет максимум, так как мнимая часть Zm+Z или Ум стремится к нулю. Паразитные резонансы изображаются вторичными петлями (пунктирная кривая на рис. 2.54). Поскольку Z и У, очевидно, являются функциями Zr, то преобразователи должны работать при номинальной акустической нагрузке во время измерений импеданса на частотах вблизи резонанса. На частотах же намного выше или ниже области резонанса ZmZu и Ум<Уь и условия нагрузки некритичны.

Отметим, что диаметр петли обратно пропорционален сумме ZM+Zr. Работа подводного преобразователя в воздухе эквивалентна, Б сущности, равенству Zr нулю. Это позволяет проводить измерение (fIZm, независимо от Zr, что используется при определении к. п. д. преобразователя (разд. 2.14). Более глубокий анализ электрического импеданса электроакустических пре-" образователей можно найти в литературе [53-55].

2.14. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

Мощность, поступающая в преобразователь в установившемся режиме, или рассеивается в электрических и механических сопротивлениях, или излучается. По эквивалентной схеме преобразователя можно считать, что излучаемая мощность рассеивается на сопротивлении излучения. К. п. д. есть отношение выходной излучаемой мощности к входной, или суммарной мощности, подводимой к преобразователю. Для измерения к. п. д. используются два метода. В прямом методе непосредственно измеряются входная и выходная мощности. В импедансном методе отношение входной и выходной мощностей определяется из измерений импедансов. Импедансный метод проще, но Б нем обязательно используются некоторые предположения, и поэтому он больше подвержен ошибкам, которые ограничивают его применение. Результаты этих двух методов не всегда согласуются. Когда они не согласуются и когда надо определить к. п.д. преобразователя в свободном поле, предпочтительнее использовать прямой метод. Если условия измерений отличаются от условий свободного поля, как, например, в технических применениях ультразвука, то предпочтительнее импедансный метод.

Б отличие от большинства акустических величин к. п. д. имеет теоретический предел 1007о- Этот факт может быть весьма полезным. Всякий, кто имеет длительный опыт работы с вы сокоэффективными преобразователями, вероятно, получал измеренные значения к. п. д. выше 100%. Измеренную величину,

скажем 105%, не следует отбрасывать, так как из этого можно-сделать определенный вывод, при условии достаточно хорошей оценки погрешности измерений. Предположим, что эта погрешность оценена в ±10%- Тогда измеренное значение 75% означает, что к. п. д., вероятно, находится в интервале значений or 65 до 85%. При той же погрешности измеренные 105% означают, что реальный к. п. д. лежит в пределах от 95 до 115%- Поскольку к. п. д. более 100% невозможен, можно заключить, что-действительный к. п. д. должен находиться в относительно узком диапазоне от 95 до 100%- Эти рассуждения не могут заменить-хорошую точность измерений, и ими следует пользоваться с осторожностью. -Тем не менее измеренные значения (выше 100%) не следует всегда автоматически отбрасывать как бесполезные..

2.14.1. Прямой метод

В прямом методе измеряется входная мощность, как в случае чисто электрического измерения, с использованием одногО из следующих известных соотношений:

p.==/2;=-=e/cose, (2.98>

где Рг - входная мощность, i-среднеквадратичное значение-входной силы, тока, е - среднеквадратичное значение входного-напряжения, 6 - фазовый угол между е я i, Rs - последовательное сопротивление, измеренное на входных зажимах,. а Rp - параллельное сопротивление, измеренное на входных, зажимах. Сопротивления Rs и Rp, конечно, зависят от электрических и механических сопротивлений, а также от сопротивления излучения и в общем случае не являются частотно-независимыми постоянными.

Выходная мощность Ро определяется по величине звукового давления, измеренного на акустической оси, и коэффициента концентрации Pg или индекса направленности Di. Предполагается, что волновое сопротивление среды рс известно. Тогда

.Яо=7(47гг2) = (/о ?е)(4г2), (2.99)

где, как и в уравнении (2.79), /-интенсивность, усредненная по всем направлениям, а /о - интенсивность на оси (обе интенсивности измерены на одном расстоянии г), Pg - коэффициент концентрации. Если рг - среднеквадратичное значение звукового давления на оси на расстоянии г, h=plpc, то

0=-- (2-100)

Тогда к. п. д. равен

(2.101)

Если г выбрано равным 1 м, то отношение Prii есть чувствительность по току в режиме излучения 5 и (2.101) упрощается:

(2.102)

Соотношение (2.102) удобно применять, если используется система единиц МКС. Если используется смешанная система из практических единиц и акустических единиц СГС, то

3=4 • 10-. " (2.103)

Полагая /(= (4я/рс) • 10"® и записывая уравнение (2.103) в децибелах, получаем

72дБ=20 Ig 5 - Z), -10 Ig /?,+10 Ig К. (2.104)

Постоянная 101g/( зависит от свойств среды. Для морской воды при 20° С, солености 35%о и атмосферном давлении /С=-70,9 дБ. Для измерений в пресной воде в зависимости от температуры и давления постоянные немного отличаются:

Выходную мощность преобразователя можно измерить также реверберационным методом [56]. Однако последний не применим к обычным измерениям к. п. д., так как сопротивление излучения преобразователя в реверберационной камере не равно сопротивлению излучения преобразователя в свободном поле.

2.14.2. Импедансный метод

Динамический импеданс преобразователя с электрической связью на резонансной частоте равен нулю, и эквивалентная схема рис. 2.51, а переходит в схему на рис. 2.55, где Rm - механическое сопротивление, а Rr - сопротивление излучения. К. п. д., очевидно, равен отношению мощности, рассеиваемой на