ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTROACOUSTIC CYLINDRICAL CONVERTER

Ниже дано краткое описание продольных колебаний по окружности кругового кольца, способов их возбуждения и принципа конструирования гидроакустических преобразователей, работающих на этих колебаниях.
Известно, что одним из классов собственных колебаний кругового кольца (фиг.1) являются такие колебания, при которых смещения происходят в плоскости, перпендикулярной оси кольца, и списываются системой уравнений (1).
где u - смещения по направлению касательной к средней окружности кольца,
ω - смещения в радиальном направлении.
В предположении, что u и ω - гармонические функции времени, система (1) допускает решение (2).
где n=0,1,………
При этом собственные частоты колебаний определяются соотношением (3).
Частным случаем колебаний списываемого типа, получающимся при n=0, являются радиальные колебания.
Следовательно
го
Очевидно, рассматриваемые колебания являются предельными колебаниями по окружности кольца. Поскольку с точки зрения использования кольца для излучения звука его поверхностью имеет значение радиальная составляющая колебаний, будем в дальнейшем для краткости называть описываемые колебания радиальными колебаниями n порядка.
o
o
Широко используемые в настоящее время радиальные колебания кольца с равномерным распределением амплитуды по его окружности (ω=ω) в нашей терминологии называются радиальными колебаниями нулевого порядка; колебания с распределением амплитуды по окружности кольца по закону ω=ωcosθ - радиальными колебаниями первого порядка и т.д.
На фиг.2 представлены последовательные формы радиальной составляющей колебаний кругового кольца, соответствующие радиальным колебаниям нулевого, первого и второго порядка.
Кольца, совершающие колебания описываемого типа, могут быть использованы в качестве элементов гидроакустических преобразователей.
В частности, кольца, совершающие радиальные колебания нулевого порядка, широко применяются при конструировании как отдельных преобразователей, так и гидроакустических систем.
В настоящей заявке предлагается наряду с радиальными колебаниями нулевого порядка использовать колебания более высоких порядков, что дает ряд преимуществ, о которых будет сказано ниже.
2. Возбуждение радиальных колебаний различных порядков.
Будем рассматривать способы возбуждения интересующих нас колебаний пьезоэлектрических и магнитострикционных колец. Все рассуждения проводим для режима излучения, однако в силу обратимости преобразователя, они остаются справедливыми и для режима приема. В качестве пьезоэлектрического материала рассматриваем керамику титаната бария, как нашедшую широкое применение в гидроакустической аппаратуре.
а). Пьезоэлектрическое кольцо.
На фиг.3 изображены два варианта конструктивного оформления пьезоэлектрического кольца (титанат бария) при использовании продольного и поперечного пьезоэффектов.
При радиальных колебаниях нулевого порядка все элементы средней окружности кольца испытывают одновременно либо растяжение, либо сжатие.
Для возбуждения этого вида колебаний включают согласно все призмы кольца (фиг.3а) или всю поверхность электрода (фиг.3б).
Очевидно, радиальные колебания нулевого порядка возникают так же, если включить любую часть призм или поверхности электрода, например половину его.
При радиальных колебаниях первого порядка (n=1) одна половина кольца испытывает растяжение, а другая - сжатие.
Для возбуждения этого вида колебаний следует поверхности электродов разделить на две равные части и включить навстречу (фиг.4) (аналогично в секционированном кольце).
Очевидно, радиальные колебания первого порядка возникнут так же, если включить только половину электрода.
При радиальных колебаниях второго порядка чередуются сжатые и растянутые четверти кольца. Для возбуждения этого вида колебаний следует поверхности электродов разделить на четыре равные части и включить эти части через одну согласно, а получившиеся группы - навстречу (фиг.5).
Радиальные колебания второго порядка возникнут так же, если включать только одну четверть кольца.
Аналогичным образом путем соответствующей комбинации частей электродов (групп призм) могут быть получены радиальные колебания более высоких порядков. Из сказанного следует, что одно и то же кольцо может быть использовано для работы на нескольких резонансных частотах, при этом имеются следующие возможности:
а) переход с одной резонансной частоты на другую осуществляется путем электрического переключения частей электродов.
Например, две половины электродов включены согласно - радиальные колебания нулевого порядка, две половины электродов включены встречно - радиальные колебания первого порядка,
б) преобразователь работает на нескольких резонансных частотах, возбуждаемых без коммутации электродов.
Например, включена только одна половина кольца. Возбуждаются радиальные колебания нулевого и первого порядков.
б). Магнитострикционное кольцо.
На фиг.6 представлены конструктивные варианты м/стрикц. колец, при которых могут быть возбуждены те же виды колебаний, что и в случае колец пьезоэлектрических.
На шунты из магнитомягкого материала нанесены обмотки подмагничивания. При указанной полярности постоянных магнитов на фиг.6а при согласном включении обмоток возбуждаются радиальные колебания нулевого порядка, при встречном - первого порядка. Если бы была положена только одна из обмоток I или II, оба вида колебаний возбуждались бы одновременно. На фиг.6б показана конструкция, в которой могут быть получены радиальные колебания второго порядка, если обмотки I, II, III, IV последовательно включить навстречу.
3. Некоторые особенности конструкций преобразователей.
При практическом использовании колец, работающих на продольных колебаниях по окружности, следует иметь в виду, что при формах колебаний, соответствующих n=1, 2, 3, кольцо имеет направленность в плоскости, перпендикулярной его оси. На фиг.7 (а и б) приведены характеристики направленности колец в указанной плоскости при
n=1 и n=2, соответственно.
Для ликвидации нежелательных лепестков следует экранировать часть поверхности преобразователя, как это показано на фиг.8 а, б.
При этом одновременно существенно возрастает эффективность описываемых преобразователей на низких частотах, где размеры колец малы по сравнению с длиной волны.
Следует отметить также, что в том случае, когда с целью одновременного получения двух или нескольких резонансных частот включается лишь половина (соотв. часть) кольца, вторая половина (оставшаяся часть) может быть выполнена из непьезоэлектрического (немагнитострикционного) материала. Таким образом можно добиться расширения полосы излучаемых частот при работе вблизи резонанса, если соответствующим образом выбрать материал указанной части кольца.
В остальном конструкции преобразователей такие же, как при использовании радиальных колебаний нулевого порядка.
4. Возможные применения.
Преобразователи описанного типа могут быть использованы для работы на одном из резонансов, например на радиальных колебаниях первого порядка.
При этом при работе на резонансе диаметр цилиндрического преобразователя в 1,4 больше, чем у цилиндрического преобразователя, работающего на радиальных колебаниях нулевого порядка на той же частоте. Поэтому представляется возможным излучить большую мощность (за счет увеличения поверхности) и обострить характеристику направленности одиночного преобразователя в горизонтальной плоскости.
Наибольшие преимущества дает применение предлагаемых преобразователей при конструировании двух- и многорезонансных преобразователей и систем.
При этом, как ясно из изложенного, возможность работать на двух (многих) резонансных частотах может достигаться путем электрической коммутации электродов (обмоток) преобразователя или без коммутации за счет нанесения электродов (обмотки) на соответствующую часть поверхности преобразователя.