Индексы 1, 2, 3 относятся к трем взаимно ортогональным направлениям. Индексы 4, 5 и 6 относятся к сдвиговым смещениям относительно осей 1, 2 и 3 соответственно. Индекс h относится к всестороннему (или одновременно трехмерному) напряжению или деформации.

Постоянные g и d связаны через диэлектрическую посто-янную:

dij=BBogij, (5.5)

где ео - диэлектрическая постоянная вакуума, s - диэлектрическая постоянная материала относительно ео.

Отношение электрического поля к напряжению, определяющее g, подобно отношению электрического напряжения к давлению, определяющему чувствительность по напряжению в свободном поле. Поэтому постоянная g пропорциональна чувствительности гидрофона и служит наиболее удобным критерием оценки пьезоэлектрического материала для его использования в измерительных гидрофонах.

Особое значение имеет тот факт, что постоянные gad для различных направлений могут отличаться как по величине, так и по знаку (полярности). К примеру, постоянные cfsi, dzz и dzs сульфата лития соответственно равны 4-1,5, -Ы6,0 и -4,0 (умноженным на коэффициент 10- Кл/Н). Знаки показывают полярность, или направление, наведенного электрического поля. Если напряжение было бы одинаковым во всех трех направлениях, результирующее электрическое поле в направлении 2 стало бы пропорциональным арифметической сумме постоянных, или 13,5"10-2 Кл/Н, и чувствительность для всестороннего напряжения была бы меньше, чем для одного направления 2. В этом случае модуль всестороннего сжатия, или d2h, только немного меньше, чем diz, и вполне может быть использован. Считается, что сульфат лития работает на всестороннее сжатие, даже если знак йгз противоположен знакам d2i и d22. В других кристаллах, таких, как ADP, наблюдается больший компенсирующий эффект. Из-за потерь, обусловленных этой компенсацией, отдельные поверхности некоторых кристаллов необходимо экранировать от звукового давления. Для этого их обычно покрывают тонкими слоями акустически мягкого материала. Нарушение такой защиты является одной из причин нестабильности чувствительности гидрофонов.

Значения пьезоэлектрических модулей и других конструктивных параметров преобразователей можно найти в технических проспектах одного из главных поставщиков - Отделения пьезо-электриков фирмы «Кливайт», Бедфорд (штат Огайо).

5.3.1. Пьезоэлектрические кристаллы

Пьезоэлектрические кристаллы широко использовались в прошлом как для гидрофонов, так и для излучателей. Хотя они в значительной степени вытеснены различными типами пьезо-керамик, в них еще испытывается потребность там, где в первую очередь требуется высокая стабильность во времени.

Имеется много превосходных книг по молекулярному строению и феноменологии пьезоэлектрических кристаллов [5-8], поэтому нет необходимости углубляться в теорию этого вопроса. Для постановки эксперимента исследователю достаточно знать прочность и упругость кристаллов как элементов преобразователя.

К кристаллам, использовавшимся в гидроакустических преобразователях, относятся ADP, сульфат лития, сегнетова соль, кварц, турмалин. Из этих кристаллов только сульфат лития и ADP еще продолжают применяться в образцовых преобразователях. Поскольку эти два типа кристаллов используются в двух основных конструкциях кристаллических преобразователей, эти кристаллы используются в последующих примерах. Кристаллы сульфата лития и турмалина в форме дисков или пластин работают на всестороннее сжатие, т. е. используются их постоянные gh и dh и они не нуждаются в акустически мягком материале на боковых поверхностях. Как показано в разд. 5.3, при воздействии на все поверхности кристаллов чувствительность сульфата лития снижается только приблизительно на 20%. С другой стороны, кристаллы ADP, сегнетовой соли и кварца требуют акустической защиты некоторых поверхностей мягким материалом (например, корпреном, пористой резиной, бумагой и т. д.). Использование защиты из акустически мягкого материала ограничивает величину допустимого гидростатического давления, поскольку этот материал, как правило, не может быть одновременно акустически мягким и статически твердым.

На рис. 5.5 показан типичный пакет кристаллов. Расчетная чувствительность пакета по напряжению в режиме холостого хода М оценивается из обычного соотношения M=gL, где L - расстояние между электродами, на которых измеряется электрическое напряжение. Если электроды на рис. 5.5 соединены параллельно, то L - толщина одной пластины кристалла. Если они соединены последовательно, L - толщина всего пакета из четырех кристаллов. Выбор параллельного или последовательного соединения должен быть сделан до сборки пакета, поскольку полярность отдельных пластин кристаллов в этих случаях различна. Когда электроды соединены параллельно, чувствительность всего пакета равна чувствительности только одного из четырех кристаллов. Преимущества последователь-

НОГО соединения в конструкции, обладающей высокой чувствительностью, снижаются из-за значительно более высокого импеданса. Иными словами, когда кристаллы рассматриваются как параллельные пластины конденсаторов, емкость последовательно соединенной конструкции составляет Vie часть парал-

Элентроды

Электроды

Рис. 5.5. Пакеты кристаллов из параллельно (вверху) и последовательно (внизу) соединенных пластин.

дельной, а ее импеданс в 16 раз превышает импеданс параллельной конструкции. Если в гидрофонах используются небольшие пьезоэлектрические элементы совместно с близко расположенными предварительными усилителями, то более высокий импеданс может привести к увеличению потерь напряжения при передаче (см. разд. 3.6). Это выразится в уменьшении чувствительности на конце кабеля, что в свою очередь увеличит эффективный шум предварительного усилителя (см. рис. 5.19) и уменьшит отношение сигнал/шум. Таким образом, в кристаллических преобразователях необходим рациональный выбор между чувствительностью и электрическим импедансом. На практике кристаллы обычно соединяются параллельно.