Электроакустические преобразователи. 
Акустические средства измерений

Вся современная техническая акустика основывается на процессах преобразования энергии электрических колебаний в энергию звуковых или механических колебаний и обратно. Устройства, применяемые для возбуждения и приема звука (упругих колебаний и волн) в газообразных, жидких и твердых средах называют акустическими преобразователями или в отдельности излучателями и приемниками звука. Излучатели звука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида, а приемники осуществляют обратное, т. е. преобразуют энергию звукового поля в другую энергию.

Существует множество различных видов преобразователей упругих колебаний и волн. Наибольшее распространение в качестве преобразователей получили электроакустические преобразователи (ЭП) — устройства, преобразующие электрическую энергию в акустическую и обратно.

ЭП можно разделить на два класса: обратимые и необратимые (вентильные).

Типичным примером вентильного приемника является угольный микрофон.

К наиболее распространенным обратимым электромеханическим преобразователям относится пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические, электростатические преобразователи.

В преобразователях предназначенных для излучения монохромного сигнала используется явление резонанса: они работают на одном собственных колебаниях механической системы, на частоту которых настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь.

К основным характеристикам ЭП относятся:

• — диапазон рабочих частот;
• — динамический диапазон;
• — номинальная мощность;
• — чувствительность;
• — нелинейные искажения;
• — диаграмма направленности излучения;
• — электроакустический к.п.д.;
• — электрические параметры (импеданс, емкость и т. д.);
• — габариты и эксплуатационные особенности.

Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота и ширина полосы пропускания.

.

где — добротность. Обратимые преобразователи в режиме приема акустического сигнала позволяет воспроизводить временную форму сигнала и, следовательно, получить сведения о его фазе, частоте и спектре.

ЭП в основном линейны, т. е. удовлетворяют требованию неискаженной передачи сигнала, и обратимы, т. е. могут работать и как излучатели, и как приемники и подчиняются принципу взаимности.

В большинстве случаев преобладает преобразование в механическую энергию либо энергию электрического или магнитного поля (и обратно), соответственно чему обратимые ЭП могут быть разбиты на две основные группы. К первой группе ЭП относятся электродинамические, электростатические и пьезоэлектрические преобразователи, ко второй — электромагнитные и магнитострикционные.

Принцип действия электродинамических излучателей основан на взаимодействии переменного электрического тока с магнитным полем. Основа конструкции электродинамического излучателя — помещенный в постоянное магнитное поле проводник (в виде витка или катушки), по которому протекает переменный ток (ток возбуждения). Переменная сила, возникающая при этом, вызывает колебания с частотой тока подвижной системы излучателя. В подвижную систему, помимо проводника с током входит связанное с ним излучающее устройство в виде диафрагмы или твердого тела какой-либо другой формы, например, в виде бумажного диффузора в громкоговорителях или металлической мембраны в рупорных громкоговорителях.

Электродинамические приемники основаны на электромагнитной индукции. При этом в катушке, связанной с колеблющейся под действием звука диафрагмой (или непосредственно с твердым телом, в котором распространяется упругая волна), вследствие эффекта электромагнитной индукции находится электродвижущая сила.

Действие электростатических преобразователей основано на изменении заряда или напряжения (следовательно, емкости) при относительном перемещении обкладок конденсатора (в режиме приема) или изменения силы притяжения обкладок с напряжением (в режиме излучения). Для преобразования (измерения) изменений емкости в электрический сигнал к неподвижному электроду электростатического проводника обычно подводится постоянное напряжение U₀=100−200 В и переменное электрическое напряжение U_~, пропорциональное смещению подвижного электрода, снимается с включенного последовательно с конденсатором нагрузочного сопротивления.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на прямом (в пьезоэлектрических приемника) и обратном (в излучателях) пьезоэлектрическом эффекте.

Основой пьезоэлектрического преобразователя является пьезоэлемент, изготовленный из пьезоэлектрического материала, — деталь простой геометрической формы (пластина, диск, стержень, цилиндр и т. п.) с нанесенными на ее поверхность электродами. С электродов пьезоэлемента снимается электрический заряд, образующийся при прямом пьезоэффекте (режим приемника), или к ним подводится электрическое напряжение для создания деформации в результате обратного пьезоэффекта (режим излучателя). Пьезоэлектрические излучатели и приемники конструктивно идентичны.

В зависимости от назначения и диапазона рабочих частот используются различные пьезоэлектрические материалы. Наиболее широкое распространение получила пьезокерамика.

В зависимости от диапазона частот, назначения и условий работы применяются различные геометрические формы пьезоэлементов.

Действие электромагнитных преобразователей основано на взаимодействии магнитного поля катушки, по обмоткам которых протекает ток возбуждения (в режиме излучателя) с ферромагнитным сердечником.

Магнитострикционные преобразователи действуют на эффекте магнитострикции (деформирование тел при изменении их магнитного состояния). Магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционных материалов (ферриты и ферромонетики) с нанесенной на него обмоткой. В излучателе такого типа энергия переменного магнитного поля, создаваемого в сердечнике протекающим по обмотке переменным электрическим током, преобразуется в энергию упругих колебаний сердечника.

В приемнике энергия упругих колебаний, возбуждаемых действующей на сердечник внешней переменной силой, преобразуется в энергию магнитного поля, наводящего электродвижущую силу в обмотке. Материалом для таких преобразователей в ультразвуковой технике обычно служит никель, пермендюр, никель-кобальтовые и железоникелевые сплавы, а также керамические вещества на основе феррита никеля.

Для возбуждения и приема упругих колебаний и волн используются также другие типы преобразователей, например, термические и оптические приемники, лазерный метод возбуждения, механические (газоструйные и гидродинамические) излучатели Выбор тех или иных видов преобразователей осуществляется в зависимости от поставленной задачи частотного диапазона, необходимой мощности, к.п.д. преобразователя и т. п. Приведем основные характеристики некоторых типов электроакустических преобразователей.

Как видим, для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний в диапазоне частот свыше 10⁵ гц пригодны только пьезоэлектрические преобразователи, а ниже 100 Гц — электродинамические. Для получения максимальной удельной мощности целесообразно использовать магнитострикционные преобразователи.

При определении физико-механических свойств твердых тел, например, стержня, методом свободных колебаний желательно применять бесконтактные (например, электростатические или оптические) методы возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний, поскольку в них контакт стержня с любым другим телом, например, преобразователями, приводит к дополнительным потерям, и следовательно, к искажению результатов измерений.