|
Часть третья ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
Глава VIII
ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОЛН МАЛОЙ ДЛИНЫ
1. Общие положения
Выше неоднократно указывалось на возможность широкого использования различных ультразвуковых эффектов в физических и химических исследованиях, а также в биологии, медицине и технике. Однако применение ультразвука в общетехническом масштабе не получило еще соответствующего распространения из-за его технической новизны (интенсивное развитие ультразвуковой техники началось лишь после 1945 г.) и сравнительной дороговизны.
Все варианты применения ультразвука, как и ультразвуковые эффекты, определяются его свойствами, которые могут быть подразделены на две основные области.
К одной относят хорошую направленность ультразвука, определяющуюся малой длиной волны, к другой — его высокую энергию и вытекающие из этого эффекты.
При использовании высокой направленности ультразвука его энергия играет подчиненную роль. Обычно в этих случаях стремятся работать с возможно меньшей интенсивностью, так как изменения объекта под воздействием.ультразвука крайне нежелательны. Наоборот, случаи применения, при которых используется энергия ультразвука, предусматривают определенные изменения, например физические, химические или изменения биологической природы.
Сопоставление с высокочастотной техникой хорошо поясняет эту классификацию; как известно, для целей связи н радиолокации используются короткие электромагнитные волны. При этом излучаемая передатчиком энергия должна быть лишь достаточной для получения «а приемнике сигнала, превосходящего порог чувствительности.
Наоборот, при высокочастотном нагреве металлов в первую очередь используется энергия электромагнитных волн. При этом подведенная к объекту энергия должна быть сравнительно большой.
Эффекты, основанные на высокой направленности ультразвука, уже описаны выше. Ниже мы рассмотрим лишь важнейшие случаи использования этих эффектов.
2. Ультразвуковая сигнальная и навигационная техника
Старейшая область применения ультразвука—техника сигнализации и навигации. Известно, что ультразвук, благодаря более высокой направленности, обладает значительными преимуществами по сравнению со слышимым звуком. Эти преимущества особенно заметны при использовании в жидкости, прежде всего в воде, так как условия распространения ультразвука в ней весьма благоприятны.
Тмннка подводной сигнализации
Для передачи сигналов в судоходстве можно применять световые сигналы (сигнальные огни), звуковые сигналы (сирены) и электрические радиосигналы (радиопеленгатор, радиолокатор). При плохой видимости использование световых сигналов невозможно, однако два остальных вида сигнализации, вероятно, могут применяться. Использовавшаяся ранее звуковая сигнализация имеет очень ограниченное применение, поскольку радиус действия сигналов в воздухе зависит от атмосферных условий. Что же касается подводной сигнализации, то посылка направленных сигналов с помощью слышимого звука невозможна, так как размеры необходимого для этого звукового излучателя или рефлектора вследствие большой длины волны в воде должны быть очень велики.
С помощью ультразвуковых излучателей и ультразвуковых приемников посылка и прием направленных сигналов легко осуществимы. Радиус действия звуковых сигналов в воде значительно больше, чем в воздухе. Он, правда, уменьшается 1 с частотой, так что радиус действия для ультразвука меньше, чем для слышимого звука. Однако проигрыш полностью компенсируется благодаря высокой направленности и возможности посылки ультразвука узким пучком.
На рис. 209 показано, на каком расстоянии происходит половинное ослабление звукового давления (прием осуществляется чаще всего приемниками звукового давления) для направлен-
1 У автора ошибка, написано возрастает. Прим. ред.
кого излучения плоских волн в воздухе и воде. На практике следует исходить из более высоких значений величины затухания, чем приведенные здесь теоретические значения. Кроме того, надо учитывать, что ультразвуковой луч расходится под некоторым углом, так что реальные расстояния половинного ослабления давления меньше приведенных на графике. Однако звуковой сигнал может быть достаточен для срабатывания приемника, даже если он составляет лишь небольшую часть первоначальной энергии, а не только б случае половинного ослабления. Поэтому, наряду с эффективным применением радиотехнических устройств, решение определенных задач (подводная связь, эхолотная техника) возможно исключительно с помощью ультразвука, так как
вследствие электропроводности воды в ней не могут распростра-аяться электромагнитные волны.
Для подводной ультразвуко-зон техники в качестве излучателя и приемников успешно применяются магннтострикцнонные преобразователи. Они значительно менее восприимчивы к помехам и позволяют получить бблыпую, чем пьезоэлектрические преобразователи, мощность ультразвука. Электрическую энергию иа судах также проще подвести к «преобразователям маг-аятострнкционным, чем к высокоомным пьезоэлектрическим, поскольку необходимы лишь небольшие напряжения при средних величинах тока. Кроме того, так как для применения под водой низкие ультразвуковые частоты выгоднее вследствие малого поглощевня, то использование магнитострикционных преобразователей оказывается особенно целесообразным.
Для специальных целей, правда, применяют н пьезоэлектрические вибраторы. Так, для подводной сигнализации используют нябратор, состоящий из большого числа (50 и более) пластин днгидрофосфата аммония (ADP). Кроме того, керамика из ти-ганата бария (ВАТ), получившая распространение в последнее время, обладает стабильностью и имеет малое омическое сопротивление, так что- по-внднмому, ее можно будет применять в качестве ве только подводного приемника звука, но и излучателя.
Монтаж преобразователя на судне может осуществляться различным образом. Если не обязательна подвижность преобразователя, то его можно моитироипть снаружи на корпусе судна или внутри под вырезом о стенке,
Ультразвук можно успешно применять н для навигационных устройств (маяков) и для подподной сигнализации и подводкой связи между судами. Маяки должны излучать ультразвуковые сигналы по возможности равномерно do всех направлениях. Для этого используют магнитострикциопиые кольцевые вибраторы. Направление «на маяк» можно определять с помощью двух приемников, постоянно закрепленных на судне, или с помощью
одного поворотного приемника. При двух постоянно закрепленных приемниках курс корабля совпадает с направлением «на маяк» тогда, когда интенсивность сигналов, принимаемых обоими приемниками, одинакова. Плоскость вращающегося приемника перпендикулярна направлению на маяк, когда интенсивность звука максимальна. Точность определения направленна составляет около ±1—2°. Работа излучателя для маяка может происходить в непрерывном или импульсном режиме. Для импульсной работы возможно осуществление очень простой электрической схемы, о которой будет сказано ниже «при описании эхолотов.
Для осуществления связи суда должны быть оборудованы одним нзлучающнм ультразвуковым преобразователем и одним приемным. В ряде случаев достаточно одного преобразователи, работающего попеременно как излучатель или как приемник. В качестве таких преобразователей применяют главным образом магннтостршкцвошше вибраторы.
Телеграфная связь при этом может осуществляться немоду-лхрозаннымн звуковыми колебаниями, которые магнитострнк-ххеакый приемник преобразовывает обратно в электрические. Дхле усиления в приемно-усилительном тракте эти колебания делаются слышимыми.
Для работы в телефонном режиме электрические колебания, так же как при радиопередаче, модулируются речью, благодаря чему модулируются также и ультразвуковые колебания.
Магнктострикционныи приемник принимает эти колебания и леаращает их обратно в электрические, при этом колебания угализаются, детектируются (как в обычном радиоприемнике) z делаются слышимыми (см. рис. 210). Такая система связи яв-лзется единственной возможностью для передачи сигналов между погруженными подводными лодками без вынесенных антенн. Особенным преимуществом является также и то, что сигналы «тут прослушиваться лишь одним приемником, находящимся в зеве направленного действия излучателя.
Ультразвуковые навигационные приборы
Эхолот — одно из необходимых навигационных средств мо-жглазания. Принцип его действия аналогичен импульсному методу измерения акустических констант, описанному на стр. 302. Одэако если тогда определяли скорость звука при известном тзсстоянии и времени пробега, то здесь определяется расстоя-ffi з от отражающего объекта, исходя из времени пробега t и хзэестной скорости звука с в среде. Зондирующий импульс, посылаемый ультразвуковым излучателем, отражается от объекта, расстояние до которого подлежит определению. Эхо принимает 2?вемный преобразователь, при этом измеряется время между лхылкой зондирующего и приемом эхоимпульса. Импульс пробегает этот отрезок, поэтому расстояние составляет s = (210)
Было разработано много вариантов устройства ультразвукового эхолота. Наиболее известен глубиномер (вертикальный эхолот) для измерения глубины моря, рек и других водных бассейнов. Кроме глубины, по величине и числу эхосигналов можно определить, каково состояние морского дна, нет ли в данном месте обломков корабля, и даже обнаружить рыб. Если, например, морской грунт состоит из скал, на которых расположен &ум«а ui меньший слой ила, то ил, а затем с незначительным отставанием по времени скальный грунт дадут эхо. Этим метолом можно обследовать большие морские пространства за короткое время. Вместе с тем, измеряя глубину эхолотом и сличая измеренные величины с зарегистрированными в морских картах, можно установить место нахождения корабля.
Главный недостаток глубиномера — его неподвижность, позволяющая определить лишь расстояние до объектов, расположенных непосредственно под килем судна, внутри телесного угла излучения вибратора эхолота. Объекты, расположенные вне этого угла, например находящиеся вблизи водной поверхности предметы, обломки судов или косяки рыбы, не могут быть обнаружены. Для обнаружения и определения расстояния до объектов, находящихся в направлении движения корабля, достаточно иметь постоянно закрепленный вибратор (горизонтальный дальномер), излучающий ультразвук по курсу судна. Обнаружение в море различных объектов, расположенных в различных направлениях по.отношению к курсу корабля, осуществляется поворотным (круговым) устройством—ультразвуковым гидролокатором.
Если отражающий объект попадает в зону направленного действия дальномера, то отраженный импульс попадает на приемный преобразователь, т. е. на излучатель, переключенный в режим приема. По времени пробега этого импульса, которое может быть измерено достаточно точно, определяют расстояние до объекта, а по амплитуде эхоимпульса можно судить о величине объекта. Далее по положению преобразователя определяют направление на обнаруженный объект, так как амплитуда эхосигнала достигает максимума, когда объект находится на оси ультразвукового луча. Максимальный радиус действия дальномера определяется силой посылаемого импульса, чувствительностью приемного устройства и встречающимися помехами (например, волнение моря).
Неподвижно закрепленный вертикальный эхолот, так же как и горизонтальный дальномер, определяет лишь одну координату обнаруживаемого объекта. Значительный интерес представляет собой двухразмерное сканирование, при котором, как при радиолокационном методе, на специальном экране можно видеть обследуемую часть моря, точнее — дна. Для этой цели требуется ультразвуковой преобразователь, который вращается или по строчкам сканирует ультразвуковым лучом морской грунт, точнее все водное пространство, расположенное под днищем корабля. Так как полный процесс сканирования протекает за конечный промежуток времени, то необходимо, чтобы электронно-лучевая трубка, применяемая в качестве индикатора, обладала достаточно большим временем послесвечения.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
