популярно о природе звука

Преобразователи и звуковые лучи

Рассмотрим теперь более подробно, как импульс звука, излучаемый в воде, превращается в направленный звуковой луч, необходимый для звуколокации. Всякий прибор, в котором осуществляется превращение одного вида энергии в другой, называется преобразователем. В сонарах такие устройства преобразуют электрические колебания в акустические, подобно тому как громкоговорители преобразуют электрические сигналы в звуковые (колебания воздуха), а микрофоны - звуковые колебания в электрические. Однако их конструкции существенно отличаются в силу различия акустических свойств воздуха и воды. В то время как работа громкоговорителей и микрофонов основана на электродинамическом принципе (возникновение механических колебаний в результате взаимодействия проводника с током и постоянного магнитного поля), в преобразователях обычно используются свойства некоторых материалов изменять свои размеры под влиянием электрических или магнитных полей. Здесь необходимо сказать о трех физических явлениях: магнитострикции, пьезоэлектрическом эффекте и электрострикции.

Магнитострикционные преобразователи используют магнитное поле. Это поле обычно создается внутри катушки, когда по ней проходит переменный электрический ток. Внутрь катушки помещается магнитный материал, который либо расширяется, либо сокращается под действием переменного магнитного поля. Такие преобразователи используются на частотах не выше 100 кГц. Сама катушка тщательно изолирована, и поэтому весь прибор можно спокойно помещать в воду.

Основным элементом пьезоэлектрических преобразователей является кристалл кварца, который под действием приложенного к нему электрического поля изменяет свой размер только в одном направлении. Тем самым колебания электрического поля порождают механические колебания, которые и передаются воде. И наоборот, колебания воды (звуковые волны) вызывают механические колебания кристалла, создающие на гранях кристалла переменное электрическое поле, которое легко можно фиксировать регистрирующим устройством. Подобным же образом работают электрострикционные преобразователи, нашедшие на практике наибольшее применение. Особенность их состоит в том, что изменение размеров некоторых материалов (керамики) зависит от напряженности приложенного электрического поля, а не от его знака. К числу подобных материалов можно отнести титанат бария и титанат-цирконат свинца.

Как электрострикционные, так и пьезоэлектрические преобразователи окружают водонепроницаемой оболочкой. Однако ее конструкция должна обеспечить «выход в воду» колебаниям, созданным преобразователем..

Теперь возникает вопрос, каким же образом можно создать направленные звуковые пучки. Звук, возникший в воде или воздухе, распространяется от источника по всем направлениям (сферически симметрично). Во время первой мировой войны с помощью звуковых волн удавалось определять лишь расстояние до подводной лодки, но не ее местоположение. Если бы удалось создать звуковой луч, подобный световому лучу прожектора, то это позволило бы немедленно определить направление на объект.

В настоящее время формирование звуковых лучей основано на использовании явления интерференции: две волны, распространяющиеся в фазе, накладываясь друг на друга, порождают более мощную волну; волны же, движущиеся точно в противофазе, наоборот, гасят друг друга. Таким образом, два источника звука, расположенных близко друг к другу, будут создавать ряд минимумов и максимумов (соответственно в тех местах, где волны гасятся или складываются). В результате распределение интенсивности звука приобретает «лепестковый» характер - возникает ряд звуковых лучей. С увеличением числа источников интерференционная картина еще более усложняется: образуется целая система «лепестков» (лучей) различных размеров. Некоторые из этих лучей очень малы и слабы. Но наряду с ними существует мощный луч, расположенный посредине цепочки источников строго перпендикулярно ей. Увеличивая число источников в ряду и уменьшая расстояния между ними, можно свести на нет почти все боковые лучи, оставив только главный. Естественно, наилучшим было бы непрерывное расположение источников. Направленный прием отраженных сигналов осуществляется тем же самым методом, что и направленное излучение. Обычно во многих сонарных системах один и тот же преобразователь (или ряд преобразователей) используется как для излучения, так и для приема звуковых сигналов.

Отраженный сигнал можно наблюдать визуально, чаще всего на бумажной ленте самописца. Как только передатчик излучает импульс, перо самописца начинает двигаться поперек ленты. Часовой механизм обычно встраивается в самописец. Когда отраженный сигнал попадает в приемное устройство, перо самописца делает на бумажной ленте отметку. По расстоянию между отметками можно судить о времени, прошедшем между излучением и приемом сигнала. Пока импульс путешествует к объекту и обратно, бумажная лента самописца медленно движется перпендикулярно направлению движения пера. Когда излучается следующий импульс, перо, возвратившись в исходное положение по вертикали, вновь начинает движение поперек ленты. Если расстояние до цели не изменяется, то через все отметки отраженных сигналов можно провести прямую, параллельную краям бумажной ленты. В противном случае такая прямая становится наклонной.

Иногда вместо самописца применяется электроннолучевая трубка. В ней отраженный сигнал регистрируется по боковому отклонению электронного луча. Основное преимущество электронно-лучевых трубок заключается в том, что они позволяют производить быстрое сканирование местности (или объекта).