Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 10

Ч астотные свойства ПЭАП зависят от условий эксплуатации - в некоторых случаях их делают резонансными, в других - широкополосными. Исходя из этого, выбирают и размеры ПЭАП. Так, например, размер подводного УЗ приемника - гидрофона рассчитывается из условия, чтобы его резонансная частота была несколько выше рабочего диапазона частот. Это позволяет гидрофон диаметром несколько миллиметров использовать для приема без искажений сигналов в диапазоне частот  10² … 10⁶ (рис. 5.44).

Вообще говоря, ПЭАП также можно применять для излучения и приема УЗ волн в высокочастотном и гиперзвуковом диапазонах частот. Основная трудность при этом заключается в обеспечении их весьма малой резонансной толщины. В качестве материалов ПЭАП высокочастотного диапазона используют пьезополупроводниковые кристаллы типа сульфида кадмия, окиси цинка, а в области гиперзвука (1 ... 10 ГГц) - пленочные материалы на той же базе.

Самым распространенным типом акустического приемника является микрофон. В зависимости от принципа действия микрофоны разделяют на следующие типы: порошковые угольные, электродинамические, электростатические (конденсаторные и электретные), пьезоэлектрические, электромагнитные и полупроводниковые.

Немного истории. Порошковый микрофон был разработан русским изобретателем М. Махальским в 1878 г., и независимо от него П. Голубицким в 1883 г. Сейчас используется только в телефонии. Электродинамический ми­крофон катушечного типа изобрели американские ученые Э. Венте и А. Терас в 1931 г. В нем применена фольговая диафрагма или очень тонкая (1 ... 3 мкм) фольговая ленточка. Конденсаторный микрофон был также изобретен Э. Венте в 1917 г., а электрет­­ный в 1923 г. японцем Егути. Отличие электрет­ного от кон­денсаторного заключается в том, что роль неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения в нем играет пластина из электрета. Недостатком его является высокое выходное сопротивление, что требует применения истокового повторителя. Первый пьезоэлектрический микрофон был создан в 1925 г. советскими учеными С. Ржевкиным и А. Яковлевым на базе кристалла сегнетовой соли. Электромагнитные мик­­рофоны конструктивно похожи на электродинамические (толь­ко используют постоянные магниты, и мембрана жестко связана с якорем магнита). Они также как и порошковые используются только в простых системах.

С овременные профессиональные микрофоны, как правило, используют электродинамические и электростатические (чаще - электретные) ЭАП и применяются на самых низких УЗ частотах, а также в диапазоне слышимых частот. Они строятся в виде последовательной цепи преобразователей, а их схема, в отличие от простых ЭАП (рис. 5.42), содержит четыре каскада преобразования информации - акустического (прием­ного), акустикомеханического, электромеханического (пре­­­­­­об­разую­щего колебательную ско­рость для динамических микрофонов или смещение для конденсаторных в ЭДС) и электрического (со­гласующе­го). Направленность формируется первыми двумя звеньями, причем в зависимости от нее различают два типа микро­фонов (рис. 5.46а):

• ненаправленные (нулевого порядка, круговые), называемые также приемниками давления;

• направленные (градиентные). Для них харак­тер­ны две основные схемы:

• с двумя симметричными акустическими вхо­дами (их называют двунаправленными - диаграмма Н имеет форму восьмерки);

• с двумя или более несимметричными вхо­дами (в этом случае они являются одно­направленными). Примером является кар­ди­оида.

Ненаправленные микрофоны не подавляют шума (их индекс направленности равен нулю).

В особую группу выделяют комбинированные микрофоны, или микрофоны с переменной диаграммой Н. В них Н деформируется изменением величины напряжения поляризации на эле­ктродах.

Микрофоны на основе электродинамических ЭАП в зависимости от типа колеблющегося элемента разделяются на катушечные (примером являются отечественные модели - ненаправленный МД-83, и односторонне направленные МД-97 и МД-91), а также ленточные. Ленточный микрофон обладает наиболее естественной пе­ре­дачей звука. На рис. 5.46б приведена диаграмма Н микрофона МД-83 на разных частотах сигнала от 50 до 10000 Гц.

Микрофоны на конденсаторных ЭАП (КЭАП) бывают одно- и двух мембранные. К первым относится кардиоидный электретный микрофон МКЭ-13М и ненаправленный МКЭ-400. Двухмембранные микрофоны (среди них отечественный МК51, а также U87i и U89i фирмы Neumann) позволяют изменять форму диаграммы Н от круговой, через кардиоиду к восьмерке.

КЭАП, в отличии от ПЭАП и МЭАП обладают широкой полосой пропускания.

Отдельный класс микрофонов составляют направленные микрофоны, использующие резонансные схемы и параболические отражатели. Серийно выпускается несколько моделей обоих типов с диапазоном частот от 100 ... 250 Гц до 18 ... 22 кГц. Острая «игольчатая» диаграмма направленности ми­крофона AD-9 с параболическим отражателем позволяет контролировать речь на расстоянии до 1500 м.КНД для данного типа микрофонов определяется зависимостью:

K_нд = 4S_э/²,

где S_э - эффективная поверхность антенны.

В табл. 5.7 представлены типовые характеристики микрофонов разных типов. Обозначено: var f - изменение частотной характеристики, S - чувствительность.

Таблица 5.7. Сравнительный анализ типов микрофонов

Н аряду с пьезоэлектрическим другим распространенным способом преобразования информации в ЭАП является магнитострикция, особенно широко применяемая в подводных ЛИС. Основу магнитострикционных ЭАП (МЭАП) составляет наборный сердечник из магнитоупругого материала (никеля, специальных сплавов - пьезокобальтов или ферритов) в форме стержня или кольца (рис. 5.47). В режиме излучения используется непосредственно магнитострикционный эффект - деформация фер­ромагне­тика, помещенного в перемен­ное ма­гнитное поле. Режим приема основан на магнитоупругом эффекте - переменные деформации вызывают изменение магнитной проницаемости ферромагнетика и появлению ЭДС. МЭАП работают приблизительно в том же частотном диапазоне, но обладают значительно большей акустической мощностью. Например, пьезокобальтовый УЗ излучатель диаметром 60 мм и высотой 40 мм на частоте 45 кГц развивает акустическую мощ­ность  5 Вт с ампли­тудой колебаний 10 мкм. Столь высокая величина деформаций материала МЭАП приводит к его быстрому разрушению в воздушной среде; поэтому их используют в качестве гидроакустических излучателей. КПД таких излучателей (также как и ПЭАП) при работе в жидкости и твердых телах в диапазонах низких и средних частот достигает 80 ... 90%. КПД МЭАП гиперзвукового диапазона существенно ниже. При их построении используются специальные материалы на основе магнитострикционных пленок из никеля, пермаллоя или др.

Расчет датчиков АЛС основан на уравнениях обратимого пьезо- и магнитоуп­ругого преобразования (рис. 5.48). Учитывая динамический характер преобразователей, все переменные в выражениях должны быть записаны в комплексной форме [ ]. Применительно к пьезопреобразованию получим:

I = YE + A_оv и F = - A_пE + zv,

Здесь и - переменные ток и напряжение на обкладках ПЭАП; - проводимость механически заторможенного преобразователя; и - прямой и об­ратный факторы силы соответственно; - механический импеданс колебательной части ПЭАП; - колебательная скорость его по­вер­х­нос­ти, - напряженность поля, - переменная сила.

Уравнение обратимого магнитострикционного преобразования записывается похожим образом:

E = zI + A_оv и F = - A_пI + zv

Указанные выражения получили название электромеханических уравнений обратимых преобразователей. Они связывают механические конструктивные параметры преобразователя с электрическими характеристиками сигнала.

Для определения функции преобразования обратимого ПЭАП используется выражение, связывающее напряженность поля Е с относительной линейной деформацией l/l: , где и _а - пьезоэлектрическая постоянная и диэлектрическая проницаемость материала, l - расстояние между обкладками, k_п - размерный коэффициент. Поскольку электрическое напряжение на обкладках ПЭАП U = E l, то его функция преобразования может быть представлена в виде: