СОДЕРЖАНИЕ

МАГНИТОСТРИКЦИЯ И ИЗЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

В 1847 году физик Джоуль заметил, что, если поместить стержень из ферромагнитного материала¹ в направленное вдоль него магнитное поле, геометрические размеры стержня изменятся, т. е. он деформируется.

Это явление называется магнитострикционным эффектом, или магнитострикцией (от греческого «магнит» и латинского «стриктус» — сжатый).

В ферромагнетике могут быть два вида магнитострикции: линейная магнитострикция, при которой происходит изменение геометрических размеров тела в направлении приложенного поля, и объемная магнитострикция, при которой геометрические размеры тела изменяются во всех направлениях.

Линейная магнитострикция наблюдается в сравнительно слабых полях вследствие изменения магнитных сил кристаллической решетки, объемная в более сильных полях в результате действия электрических сил. В магнитострикционных излучателях используется линейная магнитострикция.

Магнитострикционный эффект обратим. Если стержень из ферромагнитного материала, обмотанный проводом, сжимать или растягивать, его магнитные свойства будут изменяться. Если этот стержень был предварительно намагничен или находился во внешнем магнитном поле, то при деформации стержня его магнитное поле изменяется, а в обмотке вследствие этого возникает переменный ток.

Ферромагнитный стержень деформируется независимо от направления магнитного поля. Следовательно, при пропускании переменного тока по обмотке излучателя его стержень будет деформироваться с удвоенной частотой. Это происходит потому, что магнитное поле возникает как в положительный, так и в отрицательный период тока.

Полярность магнитного поля при этом изменяется, но деформация сердечника остается одинаковой при обоих направлениях магнитного поля. Чтобы частота колебаний излучателя была равна частоте возбуждающего тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение, называемое напряжением поляризации. Излучатель, работающий по такому принципу, называется поляризованным.

Практически величины деформации стержня магнитострикционного излучателя очень малы (10~⁴—10~⁶) и выражаются в относительном удлинении L от длины во много раз больше при той же амплитуде переменной магнитной индукции В_т.

Для изготовления магнитострикционных преобразователей применяются пермендюр, никель и железоалюминиевые сплавы — альферы. Наиболее высоким магнитострикционным эффектом обладает сплав платины с железом, но из-за большой стоимости этот сплав практически не применяется. Чаще магнитострикционные пре образователи делают из тонких листов сплава, склеенных между собой.

Толщина пластин обычно выбирается 0,1—0,3 мм. На сердечник, собранный из тонких листов, накладывается обмотка.

Рис. 5. Относительное удлинение ферромагнита: а — при отсутствии поляризации; б — при наличии поляризации

Магнитострикционные преобразователи имеют преимущества перед пьезоэлектрическими преобразователями: большие величины относительных деформаций, большая механическая прочность, большой срок службы, менее чувствительны к температурным воздействиям.

Конструкция и устройство пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователей приводятся ниже при рассмотрении акустических антенн гидроакустических станций кораблей и подводных лодок флотов иностранных государств.

Для работы акустических преобразователей необходимы источники питания электрической энергии. Эту задачу выполняют акустические генераторы, которые подразделяются на машинные и ламповые (полупроводниковые). К акустическим генераторам предъявляются следующие основные требования: стабильность частоты, возможность плавного регулирования частоты в заданном диапазоне, возможность регулирования выходной мощности в заданном диапазоне, надежность в работе, небольшие габариты.

Машинные генераторы, а точнее машинные преобразователи (умформеры), рассчитаны на работу с частотой до 20 кГц и мощностью до 150 кВт. Они просты по устройству и в обслуживании, экономичны, имеют большой коэффициент полезного действия (к. п. д.) и надежны в работе. Однако они не получили широкого распространения из-за низкой стабильности частоты и сложности ее регулирования, а также из-за трудности получения частоты более 20 кГц без дополнительных устройств — множителей.

Ламповые генераторы имеют более широкое применение для возбуждения в преобразователях механических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты, особенностью которых является то, что они позволяют изменять частоту в широких пределах, имеют большой по сравнению с машинными к. п. д. и могут быть выполнены в широком диапазоне мощностей.

Акустические генераторы собираются как по схеме с самовозбуждением, так и по схеме с независимым возбуждением.

На рис. 6 изображена упрощенная схема лампового генератора с независимым возбуждением. На вход генератора (в сеточную цепь) подается переменное напряжение U_вх от возбудителя. В анодную цепь включен колебательный контур L, С. С выхода генератора снимается переменное напряжение U_Вых с частотой, соответствующей подобранным параметрам излучателя. Для обеспечения работы генератора на анод лампы подается постоянное напряжение Е_а, а на сетку — напряжение смещения Е_с. Генератор с независимым возбуждением состоит из нескольких блоков: задающего генератора, предварительного и выходного усилителей. Блок задающего генератора представляет собой маломощный генератор с самовозбуждением, в котором вырабатываются высокочастотные колебания заданной (рабочей) частоты. С выхода задающего генератора напряжение высокой частоты поступает на предварительный усилитель, где мощность генерируемых колебаний повышается до уровня, необходимого для работы выходного каскада. Одновременно с этим предварительный каскад предохраняет задающий генератор от влияния нагрузки на его режим. Поэтому предварительных усилителей может быть несколько.

Рис. 6. Упрощенная схема лампового генератора с независимым возбуждением

Выходной каскад предназначен для получения колебаний ультразвуковой или звуковой частоты мощностью, необходимой для обеспечения работы электроакустического преобразователя. Выходную мощность акустического генератора, а следовательно, и мощность, подаваемую к преобразователю, можно регулировать изменением анодного напряжения или напряжения, подаваемого на экранную сетку генераторной лампы. Акустические генераторы с независимым возбуждением легко поддаются плавной регулировке частоты. Кроме того, у таких генераторов высокая стабильность частоты.

На рис. 7 изображена упрощенная схема лампового генератора с самовозбуждением с индуктивной обратной связью. В отличие от генератора с независимым возбуждением этот генератор преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока без подведения внешнего переменного напряжения U_вх, и поэтому является автономной колебательной системой. Генератор с самовозбуждением, как правило, играет роль задающего генератора и служит источником колебаний высокой частоты для последующих каскадов генератора с независимым возбуждением. В случае если генератор состоит из одного каскада, он собирается по схеме с самовозбуждением.

При подаче питания на генератор в контуре L, С возникают колебания, которые через обратную связь вызывают переменное напряжение U_с на сетке лампы. Вызванный этим напряжением анодный ток E_а увеличивает ток в контуре, что повышает напряжение на сетке. Нарастание амплитуды колебаний происходит до момента стабилизации, который зависит от параметров схемы. Частота колебаний определяется параметрами контура.

Рис. 7. Упрощенная схема лампового генератора с самовозбуждением

Генераторы С самовозбуждением имеют меньшее количество элементов по сравнению с генераторами с независимым возбуждением. Схема с самовозбуждением обеспечивает возможность работы генератора на преобразователи с различными характеристиками их импеданса² и настройку генератора на частоту механического резонанса преобразователей.

Рис. 8. Процесс образования колебаний в контуре

Непосредственно ламповый генератор состоит из трех основных элементов: источника питания, электронной лампы (или нескольких ламп) и колебательного контура, от параметров которого зависит частота генератора. Колебательный контур ультразвукового генератора состоит из емкости (конденсатора С), индуктивности (катушки L), имеющей активное сопротивление. Следовательно, колебательный контур — это цепь, состоящая из емкости и индуктивности. Так как вся индуктивность такой цепи сосредоточена в катушке, а вся емкость — в конденсаторе, то такие контуры получили название контуров с сосредоточенными параметрами.

Если подключить к заряженному конденсатору катушку индуктивности, то образованная цепь будет колебательным контуром. Но так как конденсатор был предварительно заряжен, контур будет обладать запасом электрической энергии, сосредоточенной между его обкладками в виде электрического поля (рис. 8, момент I).

В определенный момент конденсатор начнет разряжаться через катушку индуктивности, вызывая в ней магнитное поле и электродвижущую силу (э. д. с.) самоиндукции. Так как э. д. с. самоиндукции всегда противодействует изменениям тока, вызывающим ее, то при разряде конденсатора она будет противодействовать нарастанию тока. Поэтому конденсатор будет разряжаться не сразу, а постепенно.

В процессе разряда конденсатора его энергия передается движущимся электронам, увеличивая их скорость перемещения. При этом разрядный ток в контуре и магнитное поле катушки, образованное им, также возрастают. Когда конденсатор полностью разрядится и напряжение на нем станет равным нулю, ток в контуре и магнитное поле катушки достигнут своего максимального значения (рис. 8, момент II).

Несмотря на то что энергия движущихся электронов теперь не пополняется, движение их не прекращается мгновенно, так как снижение их скорости поведет к уменьшению силы тока в контуре. Но при этом в катушке начнет уменьшаться магнитное поле. Это вновь вызывает появление в ней э. д. с. самоиндукции, которая теперь противодействует уменьшению тока, т. е. поддерживает движение электронов в том же направлении. Следовательно, ток в контуре прекратится не сразу, а будет уменьшаться также постепенно, как и нарастал. Конденсатор при этом будет перезаряжаться до тех пор, пока ток в контуре не прекратится и магнитное поле катушки не станет равным нулю (рис. 8, момент III).

Под действием разности потенциалов между обкладками конденсатора в контуре снова появится ток и начнется повторный разряд конденсатора, с той лишь разницей, что он будет иметь противоположное направление. Процесс будет повторяться в той же последовательности до тех пор, пока контур будет обладать запасом энергии (рис. 8, моменты IV, V).

Следовательно, за счет электрической энергии, первоначально полученной контуром, в нем возникают электрические колебания тока и напряжения. Так как они происходят самостоятельно, без воздействия внешнего источника электрической энергии, их называют свободными колебаниями.

Период свободных колебаний в контуре определяется временем заряда и разряда конденсатора. Это время зависит от емкости конденсатора. Но зарядно-разрядные токи в контуре встречают на своем пути противодействие в виде э. д. с. самоиндукции катушки, в результате чего время заряда и разряда конденсатора увеличивается. Таким образом, уменьшение емкости и индуктивности контура ведет к уменьшению периода свободных колебаний и увеличению их частоты.

Каждый контур имеет свою собственную, вполне определенную частоту, поэтому частоту свободных колебаний называют частотой собственных колебаний контура, а индуктивность и емкость, входящие в него, — параметрами контура. Частоту собственных колебаний контура можно получить подбором его параметров — величины индуктивности или емкости. Изменение параметров контура называют настройкой.

Помимо основных параметров контура существуют и другие, например амплитуда свободных колебаний, которая зависит от количества энергии, запасенной в контуре. Чем выше напряжение, до которого был предварительно заряжен конденсатор, тем больше амплитуда колебаний. Свободные колебания являются затухающими, так как энергия контура тратится на нагревание проводников и амплитуда колебаний постепенно уменьшается до нуля. Время существования свободных колебаний в контуре и скорость их затухания зависят от качества колебательного контура, т. е. от величины активных потерь в нем, и оцениваются добротностью контура. Чем выше добротность контура, тем большее увеличение тока можно в нем получить, тем меньше потери в контуре, и, следовательно, расход энергии источника на поддержание колебаний в нем будет мал.

Конструктивное оформление акустических генераторов может быть различным и зависит от назначения и размещения гидроакустической станции. В последующих разделах книги, по данным зарубежной печати, приводится краткое описание отдельных генераторов, работающих в ультразвуковом диапазоне частот, а также на низких и сверхнизких частотах.

¹ Ферромагнетизм, т. е. «железный магнетизм», — это совокупность магнитных свойств железа. К числу ферромагнитных материалов, кроме железа, относятся ряд металлов, некоторые сплавы и окислы металлов.

² Импеданс — отношение комплексных амплитуд звукового Давления и объемной колебательной скорости частиц среды.