(5.13)

где С - электрическая емкость незаторможенного элемента, i - сила тока. Тогда из уравнений (5.12) и (5.13) получим

На высоких частотах, где преобразователь не мал по сравнению с длиной волны, его уже нельзя считать точечным. В этом случае чувствительность преобразователя в режиме излучения зависит от импеданса излучения и коэффициента концентрации. Оба этих параметра находятся в соответствующей зависимости от формы преобразователя и связаны с коэффициентом дифракции уравнением (5.4). На чувствительность преобразователя в режиме излучения, как и на его чувствительность в режиме приема, влияют эффекты, показанные на рис. 5.4.

Керамика является наиболее подходящим материалом для пьезоэлектрических излучателей в области высоких звуковых и низких ультразвуковых частот. По сравнению с кристаллами она имеет более высокие диэлектрические постоянные, т. е. более низкий электрический импеданс; кроме того, она дешевле и удобнее для использования в различных конструкциях преобразователей. Очень высокая стабильность кристаллов применительно к излучателям не имеет такого же значения, как для образцовых гидрофонов. В излучателях кристаллы применяются на частотах выше 100 кГц, поскольку их колебательные моды могут быть предсказаны с достаточной точностью, а резонансные частоты выше, чем у керамических элементов тех же размеров. Это имеет значение, когда необходимо получить наибольший частотный диапазон. Кроме того, перекрестная связь между колебательными модами обычно причиняет меньше неприятностей.

Когда для снижения высокого электрического импеданса кристаллов используются трансформаторы, они рассматриваются как неотъемлемая часть преобразователя. Эти трансформаторы должны передавать энергию кристаллам (которые обладают в основном реактивным электрическим импедансом) без

Следовательно, величина давления на 1 В примет вид

f=4M.., (5.12)

В области низких частот чувствительность преобразователя по току в режиме излучения имеет наклон 6 дБ/октава, поскольку импеданс представляет собой почти чисто емкостное сопротивление, т. е.

/ Р

искажения в широком диапазоне частот. Обычно таких трансформаторов в наличии не имеется и их приходится конструировать для конкретного преобразователя.

Если пьезоэлектрический преобразователь должен работать при гидростатических давлениях порядка нескольких миллионов Паскалей и более, то разработчики сталкиваются с особой проблемой акустической защиты с целью воспрепятствовать воздействию звукового давления на некоторые части рабочей поверхности преобразователя. Существуют три основных конструктивных решения акустической защиты:

1) Использование материалов, работающих на всестороннее сжатие, типа Сульфата лития или метаниобата свинца, которые исключают необходимость защиты.

2) Использование принципа рассогласования импеданса, при котором экраны с очень низким или очень высоким акустическим импедансом защищают часть пьезоэлектрических элементов от воздействия звукового давления.

3) Применение преобразователей цилиндрической или сферической формы, у которых воздействию звукового давления подвергается только одна сторона поверхности.

Первое решение более приемлемо для гидрофонов с небольшими чувствительными элементами, чем для излучателей. Недостатком здесь является высокий электрический и механический импеданс сульфата лития. Метаниобат свинца имеет подходящий модуль всестороннего сжатия, но во всех других отношениях он уступает титанату-цирконату свинца.

Применение низкоймпедансных [2] или акустически мягких материалов (типа корпрена и пористой резины) на практике невозможно, поскольку при больших давлениях из них выходит воздух и они теряют свои полезные свойства. Кроме этого, такие материалы должны были бы обладать характеристиками встроенного фильтра пропускания высоких частот. Иными словами, они должны были бы иметь высокий статический и низкий динамический акустические импедансы. Экраны с высоким импедансом могут быть изготовлены из материалов, обладающих большой плотностью, типа вольфрама; они используются в некоторых специальных случаях. К недостаткам выбора такого конструктивного решения можно отнести большие объем, массу и высокую стоимость.

В гидрофонах, рассчитанных на работу при больших гидростатических давлениях, обычно используются тонкостенные цилиндры из титаната-цирконата свинца, загерметизированные и закрытые с торцов колпачками (разд. 5.6.4). Для излучателей нужны цилиндры больших размеров, но их трудно - изготавливать с требуемой степенью однородности и симметрии, способных выдерживать высокие перепады напряжения на всех участ-

ках стенки. С некоторым успехом используются конструкции излучателей типа «бочонка», состоящие из полос, расположенных по образующей цилиндра. В толстостенных цилиндрах отношение толщины стенок к диаметру приближается к критическому значению, а это, как было рассмотрено в разд. 5.3.2, приводит к ослаблению сигнала. Применение торцевых колпачков, которые одновременно герметизируют цилиндры и допускают их радиальные колебания, усложняет конструкцию. Заполнение маслом

Резонанс Гельмгольца

Частота, к Гц

Рис. 5.21. Частотная характеристика чувствительности сферического преобразователя в режиме излучения по напряжению, отнесенная к расстоянию 1 м. Сфера изготовлена из керамики PZT-4, наружный диаметр ее 10 см. Сплошная кривая соответствует заполнению сферы воздухом, пунктирная - водой.

или другой акустической связующей средой и создание высокого гидростатического давления внутри цилиндра обеспечивает необходимую механическую прочность. Однако при этом сам цилиндр становится чрезмерно жестким и возникает необходимость в акустическом фильтре пропускания низких частот между его внутренней и внешней частями.

Одним из решений, особенно для ненаправленного излучения, является заполненная воздухом керамическая сферическая оболочка, достаточно прочная, чтобы выдерживать внешнее давление. Технология изготовления больших сфер, как монолитных.