Удельное сопротивление материала самого кристалла должно быть велико по той же причине, по которой должно быть велико сопротивление утечки (разд. 5.2 и рис. 5.3). Удельное сопротивление сульфата лития очень велико, что в сочетании с большой прочностью и нечувствительностью к гидростатическому давлению делает сульфат лития хорошим материалом для низкочастотных гидрофонов, работающих при высоких гидростатических давлениях.

Для устранения резонансов и минимизации дифракционных эффектов широкополосные гидрофоны изготавливаются в виде очень малых по размерам кристаллических пакетов и, следовательно, имеют ВЁ1С0КИЙ электрический импеданс. К недостаткам кристаллов относится то, что даже небольшое количество влаги будет шунтировать импеданс кристалла и явится причиной снижения чувствительности в области низких частот. Кристаллы сульфата лития и ADP гигроскопичны, и если они в течение какого-то времени находятся в условиях значительной влажности, то необратимо меняют свои свойства. Кроме того, предельной температурой для сульфата лития является 75°С, а температура выше 125 °С приводит к разрушению кристаллов ADP.

Вследствие высокого электрического импеданса кристалла в состав широкополосного кристаллического гидрофона обычно входит предварительный усилитель. Таким образом, кристаллический гидрофон состоит из собственно чувствительного элемента, крепежного узла, основания, акустического окна и жидкости, связывающей кристалл с окном, предварительного усилителя в корпусе и кабеля. Взаимное влияние этих элементов конструкции друг на друга и на акустическое поле являются важнейшими факторами, которые нужно учитывать при планировании измерений. Некоторые основные параметры сульфата лития и ADP приведены в табл. 5.1.

Кристаллические излучатели по существу представляют собой мозаику кристаллических элементов, которая обычно занимает значительно большую площадь, чем в гидрофонах, предназначенных для работы в том же диапазоне частот. Размеры и форма мозаики определяются требуемой направленностью и излучаемой акустической мощностью. Выбор последовательного или параллельного соединения кристаллов зависит от того, чему отдается предпочтение - требованию чувствительности или импеданса, а также зависит от типа используемых кристаллов. При выборе типа кристалла наряду с требованиями к чувствительности и импедансу учитываются влияние гидростатического давления и стоимость. В мозаичном излучателе используется большое количество кристаллов, а стоимость пьезоэлектрических кристаллов достаточно высока. Диск сульфата лития размером с 25-центовую монету стоит 30-40 долларов, а аналогичный

ДИСК из кристалла ADP стоит менее Ш долларов (цены 1967 г.).

Таблица 5.1

Параметры пьезоэлектрических кристаллов и керамики

5.3.2. Сегнетоэлектрическая керамика

Керамика, электрические свойства которой подобны магнитным свойствам ферромагнитных материалов, называется сегне-тоэлектрической керамикой. Эту керамику стали широко использовать в преобразователях в начале 50-х годов, и во многих случаях она быстро заменила кристаллы. Популярность этого материала объясняется его высокими диэлектрическими и пьезоэлектрическими постоянными, большим разнообразием форм, малой стоимостью и свойственной ему прочностью.

Из нескольких видов керамики наиболее широко используются титанат бария и цирконат-титанат свинца. Некоторые составы керамики метаниобата свинца имеют характеристики, которые больше всего подходят для широкополосных преобразователей, предназначенных для работы на больших глубинах; из этой керамики изготовлено несколько типов таких преобразователей.

Основы теории расчета сегнетокерамических и кристаллических преобразователей подобны. На практике же есть некоторое различие, связанное с тем, что 1) диэлектрическая проницаемость керамики примерно в 100 раз больше, чем кристаллов, и это исключает ряд трудностей, возникших из-за очень высокого электрического импеданса; 2) керамике можно придать практически любую форму, и это дает конструктору значительно больше возможностей для творчества, чем при работе с кристаллами.

Преобразователи могут быть собраны из пластин, цилиндров, сфер, мозаики, полос и секций различных геометрических форм. Цилиндры и сферы целесообразно применять не только для получения заданной диаграммы направленности; они также работают в качестве механических трансформаторов. Насколько, например, тангенциальное напряжение в стенке цилиндра выше, чем радиальное давление, можно определить по отношению его внешнего радиуса к толщине стенки. Некоторые основные параметры сегнетоэлектрической керамики приведены в табл. 5.1.

Постоянные dz и gz2 у керамики всегда такие же, как d-zi и gzi соответственно. В таком случае из табл. 5.1 следует, что керамика обладает низким модулем всестороннего сжатия, так как сумма с?з1 + с?з2 + зз будет меньше каждого из параметров с?з1 или в отдельности. Следовательно, при использовании керамики в форме диска или пластины необходимо, или по крайней мере желательно, применять акустическую защиту. Исключением является метаниобат свинца, который имеет хороший модуль всестороннего сжатия и не нуждается в защите.

Для преобразователей цилиндрической формы приходится рассчитывать эффективный модуль всестороннего сжатия. Чувствительность цилиндрического преобразователя определяется механической трансформацией самого цилиндра, механической трансформацией его торцов, а также тем, воздействует ли звуковое давление на внутренние стенки цилиндра [9]. Достаточно хорошей чувствительностью обладают правильно сконструированные, закрытые с торцов тонкостенные цилиндры. В то же время при определенном отношении толщины стенки цилиндра к его диаметру эффективный модуль толщины стенки (сзз) может быть в точности равен и противоположен по знаку алгебраической сумме поперечного (cfai) и продольного (зг) модулей, что в конечном счете сводит чувствительность к нулю. В типичных случаях это отношение колеблется от 0,3 до 0,4.

Многочисленные исследования были посвящены изучению характеристик керамики в различных условиях окружающей среды, с которыми приходится сталкиваться при проведении гидроакустических измерений. Свойства керамики не могут быть, так же предсказаны, как свойства кристаллов, поскольку керамика по составу и технологии изготовления не одинакова. Однако если конструирование керамических преобразователей происходит при тщательном контроле за качеством керамики и при строгом ее отборе, то такие преобразователи отличаются стабильностью во времени и в заданных пределах изменения температуры и гидростатического давления.