желательно добиться высококачественного воспроизведения, при котором чувствительность преобразователя в режиме излучения должна быть постоянной в широком диапазоне частот. Коэффициент полезного действия имеет второстепенное значение. В течение одного цикла измерений, длящегося, скажем, несколько дней, необходимо получать устойчивые результаты.

К специальным типам преобразователей относятся преобразователи, предназначенные для каких-либо специальных целей. В некоторых измерениях целесообразно использовать, например, характеристики направленности гидрофонов градиента давления или дипольных излучателей (см. разд. 2.12). Когда необходимо иметь очень высокую чувствительность, ее можно получить за счет уменьшения ширины полосы частот, используя резонансные преобразователи. Аналогично этому за счет ухудшения линейности можно добиться высокой чувствительности у излучателя. Очень важным классом специальных преобразователей являются преобразователи, удовлетворяющие электроакустической теореме взаимности (cMt разд. 2.3).

С того времени, как в начале этого столетия был создан генератор непрерывных акустических колебаний Фессендена, появились тысячи подводных звуковых преобразователей, из которых одни не нашли применения, а другие были усовершенствованы. Разнообразие требований, предъявляемых к преобразователям, которые применяются в подводной акустике, а также создание новых материалов способствовали разработке множества самых различных конструкций.

Практически все измерительные преобразователи, применяемые в настоящее время, подразделяются на пьезоэлектрические кристаллические или керамические, магнитострикционные и электродинамические. Для излучения и приема звука в воде применяются преобразователи с переменным магнитным сопротивлением, электростатические, гидростатические, искровые, пневматические, электрокинетические и электронные, однако они редко используются в качестве образцовых преобразователей и поэтому здесь не рассматриваются.

5.2. ЗАВИСИМОСТЬ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В РЕЖИМЕ ПРИЕМА И ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ЧАСТОТЫ

Принципиальное отличие измерительных преобразователей от рабочих преобразователей, применяемых в навигации, связи, определении местоположения целей и т. д., связано с частотными характеристиками чувствительности. Особенно важным свойством измерительных преобразователей является их широко-полосность. Ширина полосы частот некоторых гидрофонов достигает четырех декад. По отношению к измерительным пре-

образователям понятие ширины полосы частот не имеет точного .значения, как по отношению к фильтрам. Обычно оно относится к рабочему диапазону частот.

Рабочий диапазон частот определяется: а) уровнем чувствительности, б) электрическим импедансом преобразователей, в) механическими ограничениями преобразователя и г) видом частотной характеристики чувствительности. Требования, (а) и (б) зависят друг от друга и от условий измерений, особенно от уровня акустических и электрических шумов. Следовательно, эти требования меняются от случая к случаю, и нет простых правил для того, чтобы установить минимальную необходимую чувствительность, максимальный рабочий импеданс и т. д. Но следует заметить, что чувствительность гидрофона в свободном поле, равная -120 дБ относительно 1 В/(дин/см2), является очень низкой, а равная -140 дБ слишком мала для использования в обычных электроакустических измерениях.

Удовлетворительный уровень чувствительности еще не гарантирует применимости излучателя. В частности, применение пьезоэлектрических излучателей из-за их высокого электрического импеданса ограничено на низких частотах. Напряжение, необходимое, например, для возбуждения тока в несколько миллиампер в небольшой решетке из кристаллических элементов, настолько велико, что может произойти пробой.

В других излучателях пределы упругости, или пределы линейности, электроакустического элемента или таких механических частей, как мембрана, могут быть превышены при уровне возбуждения, необходимом для создания нужных уровней звукового давления.

Требование (г) следует рассмотреть подробнее. Теоретическая чувствительность измерительных преобразователей обычно представляет собой известную зависимость от частоты. Однако, хотя общий вид частотной характеристики предсказуем, тонкий спектр этой кривой имеет более сложную форму, так как зависит от паразитных резонансов, отражений, дифракционных эффектов, а также реальных условий, которые не могли быть точно учтены теорией. Одним из распространенных примеров допущений, принимаемых теорией, может служить приближение жестких границ.

Эквивалентные схемы, приведенные на рис. 5.1а и 5.16, можно использовать для анализа зависимости чувствительности гидрофона от частоты для простых и идеализированных случаев, использующих некоторые важные упрощающие предположения. Предполагается, что колеблющиеся элементы эквивалентны в механическом отношении одиночным демпфированной пружине и массе. Практически это означает, что все элементы в решетке идентичны и их размеры малы по сравнению с длиной

звуковой ВОЛНЫ в материале элемента и в воде. Следовательно, «распределенные параметры» заменяются «сосредоточенными параметрами». Предполагается также, что преобразователь настолько мал, что присоединенной массой воды в импедансе излучения можно пренебречь, т. е. можно принять, что свойства

Рис. 5.1а. Эквивалентная схема небольшого пьезоэлектрического гидрофона. Се - электрическая емкость заторможенного кристалла, С - гибкость ненагру-женного кристалла, т - эффективная масса, R - механическое сопротивление, Ф - электромеханический коэффициент (напряжение/сила), Zm - механический импеданс, А - площадь диафрагмы.

Среды не оказывают влияния на колебательное движение. На низких частотах в импеданс излучения входят сопротивление и

Рис. 5.16. Эквивалентная схема небольшого электродинамического или маг-нитострикционного гидрофона, и - скорость перемещения диафрагмы, R<.- электрическое сопротивление, L - индуктивность в режиме торможения, С - .гибкость заторможенного кристалла, /и - эффективная масса, -механическое сопротивление, - электромеханический коэффициент (напряжение/скорость), А - площадь диафрагмы.

масса. Ни один из этих параметров не является постоянным, и их нельзя объединять с постоянными и m на рис. 5.1 а и 5.1 б.

Эквивалентная схема пьезоэлектрического гидрофона показана на рис. 5.1а, электродинамического и магнитострикцион-ного гидрофонов - на рис. 5.16. Вследствие различий в самих принципах преобразования эти схемы различны.