Эквивалентные шумы пьезоприемников

Одним из важнейших параметров, характеризующих любую усилительную систему, является величина шумов на входе. Представляет интерес оценка шумов (имеются в виду не акусти­ческие шумы, а тепловые колебания молекул, приводящие к по­явлению на входе усилителей соответствующих электрических сигналов, называемых в электронике шумами) усилительных устройств, к входу которых присоединены пьезопреобразователи.

Оценим величину шумов теплового характера для сферического приемника. Шумовое напряжение определит пороговое давление, которое еще может воспринимать приемник, если предположить, что он находится в условиях, когда ультразвуковые и звуковые шумы внешнего происхождения отсутствуют (например, приемник размещен в звукозаглушенной камере).

Шумовое напряжение U_ш, В, на входе усилительного устрой­ства определяется при нормальных условиях по формуле

U_ш =125∙10^-12 (R_а ∆f)^1/2, (6.1)

где ∆f — ширина полосы пропускания устройства;

R_a — актив­ная часть входного сопротивления устройства.

В области частот ниже резонанса эквивалентная электриче­ская схема пьезокерамической сферической оболочки имеет вид, показанный на рис. 6.12, где использованы те же обозначения, что и ранее. Активная часть входного сопротивления пьезоприемника

, (6.2)

где R_Д – электрическое сопротивление;

R_И.Э – сопротивление излучения;

С_М.Э – механическая упругость эквивалентная;

С_Ф – емкость между обкладками преобразователя;

Рисунок 6.12 Эквивалентная электрическая схема пьезокерамической оболочки в области частот ниже резонанса.

При оценке шумов, принимаемых в широком диапазоне частот, необходимо брать интеграл от выражения (6.2) в пределах ширины полосы пропускания.

Давление р_ш.э, эквивалентное указанным шумам, при kR ≤ 1 и при k_р ≤ 0,3, величина С_Ф » С_м.э можно определить по формуле

,

где k_р – коэффициент электромеханической связи;

Например, эквивалентное давление шумов при приеме в воде в 1/3-октавной полосе (∆f /f _ср = 0,23) на частоте f_ср = 10³ Гц (k =4) сферой из пьезокерамики ЦТС-19 радиусом R = 20 мм и толщиной d = 2 мм, при R_Д =10⁵ Ом равно р_ш.э ≈ 5∙10 ^–5 Па.

Пороговое значение шумов пьезокерамической сферы таким образом равно примерно 8 дБ относительно 2∙10 ^–5 Па. Практи­чески такой приемник может принимать сигналы, уровни которых составляют не менее 18 дБ.

Аналогичные формулы для эквивалентного шумового давления могут быть получены для приемников других типов.

37) Параметрические излучатели и приемники. Принцип работы. Особенности параметриче­ского режима.

Параметрические излучатели и приемники ультразвуковых колебаний

За последние годы много внимания уделяется созданию остро­направленных излучателей, основанных на использовании нели­нейных свойств среды. Главным достоинством излучателей этого рода является возможность получения узкой практически однолепестковой характеристики направленности с неизменными па­раметрами в широкой полосе частот при небольших габаритах излучателей (в традиционных антеннах направленность сущест­венно изменяется с частотой, что усложняет проведение измере­ний). Создаваемое этими излучателями давление ультразвука невелико (на два-три порядка меньше давления от обычных пре­образователей), но оказывается достаточным для измерительных целей.

В.И.Тимошенко, М.С.Рыбачек, В.А.Воронин и др. разра­ботали комплекс измерительных параметрических излучателей и приемников звука в широком диапазоне частот.

Рассмотрим вкратце принцип работы параметрического излу­чателя в воде (рис. 6.13). Излучающая антенна представляет собой высокочастотный преобразователь—излучатель накачки, ко­торый возбуждается с частотами f_l и f₂ (пределах рабочих частот излучателя). На участке в зоне формирования характеристики направленности («прожекторной» зоне и начальной части сфор­мировавшегося поля), называемой зоной взаимодействия, в ре­зультате нелинейных колебаний среды образуется вторичное излучение с комбинационными суммарными и разностными часто­тами. Волны исходных и суммарных частот быстро затухают при распространении (их поглощение может быть усилено акустиче­скими фильтрами), тогда как разностная частота (рабочая частота преобразователя) распространяется на большие расстояния, причем ее характеристика направленности близка к произведе­ниям характеристик направленности излучателя на частотах возбуждения.

Рисунок 6.13 Функциональная схема параметрического излучателя звука.

Хотя использование нелинейных эффектов более действенно при значительных мощностях ультразвука, оптимальное возбуждение параметрических преобразователей определяется при­емлемыми значениями напряжений на пьезоэлементе (в пределах 50—300 В). Дальнейшее увеличение мощности возбуждения при­водит к увеличению высокочастотных гармонических составляю­щих и не улучшает заметно работу излучателя.

Достоинствами параметрических излучателей с позиции количественных измерений являются следующие:

— повышение направленности существенно снижает влияние помех;

— отсутствие боковых лепестков уменьшает воздействие на эксперименты деталей креплений, отражающих элементов по­мещения;

— независимость характеристик направленности от частоты позволяет автоматизировать измерения;

— малые поперечные размеры и масса излучателей, в качестве которых могут быть использованы описанные ранее дисковые преобразователи.

Заметим, что описанные параметрические излучатели звука не являются обратимыми, т. е. не могут использоваться для при­ема колебаний, а это можно считать их недостатком.

Параметрические приемники звука основаны на другом нели­нейном эффекте — изменении фазы (т. е. изменении скорости рас­пространения) высокочастотной звуковой волны при прохожде­нии через зону, озвучиваемую измеряемым сигналом. При этом антенной служит объем среды, расположенной между излучателем и приемником, т.е. антенна является «бестелесной», что позволяет избежать влияние корпуса и элементов крепления на измеряемое звуковое поле.

Сущность метода параметрического приема показана на рис.6.14.

При воздействии колебаний низкой частоты f на пучок высокочастотных колебаний с частотой f_В вследствие нелинейного упругого взаимодействия в среде происходит изменение параметров высокочастотного сигнала, выражающееся в изменении его фазы, которое оказывается пропорциональным амплитуде давления сигнала более низкой (ультразвуковой и звуковой) частоты.

Рис. 6.14 Функциональная схема параметрического приемника звука.

Характеристика направленности параметрического приемника зависит от частоты ВЧ-колебаний (частоты накачки), длины базы антенны L и не зависит от размеров (и характеристики направленности высокочастотных преобразователей. Характеристика подчиняется известному закону sin x/x, где х=φ(f, L).

Одна из особенностей этого типа приема – практическое отсутствие лепестков направленности с тыльной стороны, что объясняется чрезвычайно слабым нелинейным взаимодействием при встречных пучках.

Параметрический приемник звука после его градуировки может быть использован для определения параметров излучателей звука и характеристик ультразвуковых полей, а также градуировки приемников звука методом сравнения. К недостаткам метода следует отнести зависимость показаний приемника от характеристик среды. Неоднородности и изменение температуры среды могут вызвать тем более заметные изменения чувствительности, чем значительнее используемая длина базы между излучателем и приемником. Для учета этих изменений следует применять дополнительные калибровочные процедуры.

Параметрический приемник может работать, начиная с не­которого порогового давления, определяемого чувствительностью фазоизмерительных схем, характером среды. Это пороговое давление по сравнению с шумовым эквивалентным давлением для ультразвуковых приемников других типов несколько выше, чем у приемников пьезокерамического типа, что при лабораторных измерениях не играет роли.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: