(5.1)

Для всех частот, за исключением, может быть, лежащих вблизи области резонанса, о)Сеф22т1 и чувствительность обратно пропорциональна aZm. На рис. 5.2а приведен график выражения (5.1). На низких частотах, где 1 юС> (/-Ьусот), чувствительность постоянна. На резонансной частоте, где /сот- = 1 о)С, чувствительность резко возрастает. Выше резонанса, где /сот» (?-Ы соС), чувствительность быстро падает, причем наклон кривой обратно пропорционален квадрату частоты. В пределах октавы выше резонанса предположение о том, что система имеет сосредоточенные параметры, становится несправедливым и приходится пользоваться методами анализа систем с распределенными параметрами или передающих линий. Выше резонанса характеристика чувствительности проходит через серию резонансов и антирезонансов, и по этой причине на частотах выше резонанса гидрофоны неудобны для использования в качестве образцовых.

Учитывая взаимность, можно, показать, что характеристика чувствительности преобразователя по току в режиме излучения имеет такую же форму, как характеристика его чувствительности по напряжению в свободном поле, за исключением того, что она имеет дополнительный наклон, равный 6 дБ/октава, или пропорциональна частоте с другим показателем степени. Следовательно, типичная характеристика будет иметь вид, соответствующий пунктирной кривой на рис. 5.2а.

Из рис. 5.16 также видно, что

-----------1. (5.2)

(у«с)

+ уште -f- R

Таким образом, для электродинамических и магнитострикцион-ных гидрофонов чувствительность бос/р обратно пропорциональна механическому импедансу. На рис. 5.26 приведен график выражения (5.2). Из сравнения рис. 5.2а и 5.26 видно, что кривые, приведенные на рис. 5.26, наклонены относительно кривых рис. 5.2а на 6 дБ/октава.

Из рис. 5.2 видно, что наилучший путь получения чувствительности, не зависящей от частоты, т. е. кривой с плоским участком, состоит в использовании пьезоэлектрического элемента ниже его резонансной частоты. Именно по этой причине в широкополосных гидрофонах в настоящее время используются

Из рис. 5.1а очевидно, что для пьезоэлектрических гидрофонов

небольшие пьезоэлектрические элементы с высокими резонансными частотами.

Л

Рис. 5.2а. Пьезоэлектрический преобразователь. Зависимость чувствительности в свободном поле Л1=еос/р (сплошная кривая) и чувствительности по току в режиме излучения S (пунктирная кривая) от круговой частоты со.

Zl/шС л

Ig ш

Рис. 5.26. То же, что на рис. 5.2а, для электродинамического и магнитострик-ционного преобразователей.

Из рис. 5.2 также можно сделать вывод, что наилучший путь получения чувствительности преобразователя по току в режиме излучения, не зависящей от частоты, - это использование электродинамических или магнитострикционных преобразователей выше их резонансной частоты. Такое утверждение справедливо

для электродинамических преобразователей, но не для магнито-стрикционных. Данные характеристики построены в предположении, что размеры элементов преобразователей малы по сравнению с длиной волны в воде. Таким образом, для получения характеристик с плоским участком требуется излучатель небольших размеров, имеющий резонанс в области низких частот. Можно создать электродинамические преобразователи с диаметром диафрагмы в несколько сантиметров и с резонансом около 100 Гц, что соответствует длине волны в воде порядка 15 м. Магнитострикционные преобразователи, как и пьезоэлектрические. Буллет [2] называет «преобразователями с объемной силой», потому что в них электромеханические силы действуют во всем объеме материала чувствительного элемента. Следовательно, такие преобразователи резонируют на частотах, обратно пропорциональных их размерам. Несмотря на введение различных конструктивных новшеств, пока еще не удалось создать резонансные магнитострикционные преобразователи с очень малыми размерами и в. то же время с резонансом на очень низких частотах.

На ультразвуковых частотах легче всего выполнимы пьезоэлектрические или магнитострикционные излучатели. Сравнение кривых чувствительности по току пьезоэлектрических и магнито-стрикционных преобразователей в режиме излучения на участках ниже резонанса (рис. 5.2а и 5.26) показывает, что частотная характеристика преобразователя пьезоэлектрического типа наиболее постоянна. Поэтому на практике в диапазоне звуковых частот используются электродинамические излучатели, а в области ультразвуковых - пьезоэлектрические.

С ростом частоты электрический импеданс пьезоэлектрического преобразователя уменьшается, а импеданс электродинамического и магнитострикционного преобразователей растет. Поэтому на боЛее высоких частотах наклон кривой для пьезоэлектрического излучателя будет больше, чем на рис. 5,2а, а наклон характеристики электродинамического или магнитострикционного преобразователей будет меньше, чем на рис. 5.2 б. В качестве примера можно обратиться к рис. 5.3.

Реальные частотные характеристики редко похожи на идеальные, изображенные на рис. 5.2а и 5.26. Пунктирная кривая на рис. 5.3 иллюстрирует некоторые характерные искажения чувствительности пьезоэлектрического гидрофона в свободном поле. Резонансный пик. уменьшен электрическим, механическим или акустическим сопротивлением. Возможно появление паразитных резонансов. На некоторой очень низкой частоте реактивное емкостное сопротивление кристаллов или керамики становится больше удельного сопротивления или сопротивления утечки кристалла. Постоянная времени RC цепи становится меньше