Приборы и техника эксперимента, 2019, № 5, стр. 106-108

ИНФРАЗВУКОВОЙ ГИДРОФОН

Е. В. Романенко *

Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН
119071 Москва, Ленинский просп., 33, Россия

* E-mail: evromanenko33.00@mail.ru

Поступила в редакцию 01.03.2019
После доработки 01.03.2019
Принята к публикации 14.03.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Разработан инфразвуковой гидрофон, работающий на пироэлектрическом принципе. Чувствительный элемент гидрофона выполнен в форме тонкой пластинки (пироэлемент), окруженной воздушной средой. Изменения давления в воздушной среде сопровождаются изменениями температуры, которые и воспринимаются пироэлементом.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время существует ряд низкочастотных гидрофонов, основной недостаток которых – ограниченный снизу диапазон рабочих частот. Работа таких гидрофонов основана на пьезоэлектрическом принципе, и обычно они предназначены для работы в диапазоне частот выше 0.1 Гц. В качестве примера можно привести гидрофоны фирмы ZETLAB (типа ВС311 и др.), рабочий диапазон которых начинается с 3 Гц. Даже наиболее низкочастотные гидрофоны фирмы Bruel and Kjaer, Дания (типа 8101–8106) имеют частотный диапазон, начинающийся с 0.1 Гц. Однако в некоторых случаях необходимы гидрофоны с рабочим диапазоном частот существенно ниже 0.1 Гц, например, при изучении шумов Земли и океана [1, 2], а также шумности плавниковых движителей, землетрясений и явления “цунами”.

В статье представлен инфразвуковой гидрофон с рабочим диапазоном частот порядка сотых и тысячных долей герца. Работа гидрофона основана на использовании пироэлектрического эффекта [3, 4].

Обычно пироэффект используют для измерения малых изменений температуры. Однако его также можно использовать и для измерения звукового давления, если вспомнить, что звуковые волны сопровождаются не только изменениями давления, плотности и скорости частиц среды, но и изменениями температуры $\Delta T$, которые связаны с параметрами среды и звуковой волны следующим соотношением [5]:

(1)
$\Delta T = \frac{{\beta {{T}_{0}}}}{{\rho {{C}_{P}}}}\Delta P,$
где β – коэффициент объемного расширения среды, в которой распространяется звук; T0 – средняя температура; ρ – плотность; CP  – удельная теплоемкость при постоянном давлении; $\Delta P$ – колебательное давление в звуковой волне.

Оценка по формуле (1) показывает, что температурные изменения при распространении звука в воздухе на 4–5 порядков больше, чем при распространении в воде. Поэтому наилучший эффект может быть достигнут при использовании пироэлемента для измерения звуковых полей в воздухе. Тем не менее, этот принцип может быть использован и для измерений в воде, если обеспечить газовое (воздушное) окружение пироэлемента.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ИНФРАЗВУКОВОГО ГИДРОФОНА

На рис. 1 показана принципиальная схема инфразвукового гидрофона на пироэлектрическом принципе при его работе в воде.

Рис. 1.

Схема гидрофона. 1 – резервуар; 2 – труба; 3 – пироэлемент; 4 – усилитель; 5 – регистрирующее устройство.

Гидрофон состоит из заполненной воздухом полости (резервуара) 1, имеющей в нижней своей части открытую снизу трубу 2, пироэлектрического элемента 3, усилительного 4 и регистрирующего 5 устройств. Усилительное устройство должно иметь входное сопротивление порядка 109–1010 Ом.

Гидрофон работает следующим образом. При его погружении в воду последняя проникает внутрь резервуара через нижнее отверстие трубы, заполняя трубу и часть резервуара. Остальная часть резервуара, где находится пироэлемент, остается заполненной воздухом. Переменное давление инфразвуковой частоты через трубу передается от окружающей среды объему воздуха в резервуаре, который адиабатически сжимается и расширяется. Изменения температуры воздуха, имеющие место в этом случае, регистрируются пироэлементом и, далее, измерительной аппаратурой.

Адиабатичность процесса сжатия и расширения воздуха в резервуаре гидрофона в заданном диапазоне частот обеспечивается выбором подходящих размеров резервуара.

Труба гидрофона предназначена для обеспечения резонансного режима работы системы “вода–воздух” в гидрофоне. В этом случае резервуар и труба представляют собой резонатор Гельмгольца, в котором в качестве упругости выступает воздух в резервуаре, а в качестве массы – вода в трубе. В случае цилиндрической формы резервуара собственная частота резонатора может быть оценена по формуле

(2)
$f = \frac{1}{{2\pi }}\sqrt {\frac{{\gamma {{S}_{1}}{{P}_{0}}}}{{{{\rho }_{1}}{{l}_{1}}{{S}_{2}}{{l}_{2}}}}} ,$
где γ – показатель адиабаты, равный 1.41; ${{\rho }_{1}}$ – плотность воды; l1 – длина трубы; l2 – длина резервуара; S1 и S2 – площадь поперечного сечения трубы и резервуара соответственно; ${{P}_{0}}$ – начальное давление в резервуаре.

Подбором размера резервуара и трубы можно приблизить резонансную частоту гидрофона к рабочему диапазону частот и тем самым в известных пределах улучшить его частотную характеристику.

В принципе гидрофон может с тем же успехом работать и без трубы. В этом случае он все же будет обладать резонансными свойствами, однако в качестве трубы будет служить заполненная водой часть резервуара. Резонансная частота в этом случае будет выше, чем определяемая формулой (2).

Чувствительность гидрофона в режиме холостого хода можно оценить как отношение изменения потенциала на обкладках пироэлемента к изменению давления по формуле (в международной системе единиц СИ)

(3)
$\frac{{\Delta V}}{{\Delta P}}[{\text{В/Па}}] = \frac{{4\pi h\beta {{T}_{0}}{{\gamma }_{0}} \cdot {{{10}}^{{10}}}}}{{\varepsilon \rho {{C}_{P}}}}\frac{m}{{\sqrt {{{m}^{2}} + {{\omega }^{2}}} }},$
где $m = \frac{{\alpha S}}{{{{\rho }_{{{\text{пиро}}}}}{{\nu }_{{{\text{пиро}}}}}{{C}_{P}}_{{{\text{пиро}}}}}}$.

Здесь α – коэффициент теплопередачи, равный для спокойного воздуха 2–8 ккал/(м2 · с · град), ${{\rho }_{{{\text{пиро}}}}},{{C}_{P}}_{{{\text{пиро}}}},S$ и νпиро – соответственно плотность, удельная теплоемкость, поверхность и объем пироэлемента; ε – диэлектрическая проницаемость пироэлемента; h – его толщина; γ0 – пироконстанта, $\omega = 2\pi f$ – круговая частота.

В частности, если пироэлемент выполнен из пьезокерамики на основе титаната бария (${\text{Ba}}{{{\text{T}}}_{i}}{{{\text{O}}}_{3}}$), пироконстанта γ0 = –2 ⋅ 10–4 кулон/(м2 · град), диэлектрическая проницаемость ${\varepsilon }$ $ \approx $ 1200.

Формула (3) получена на основе соотношения (1) и известных соотношений:

для изменения потенциала

(4)
$\Delta V = \frac{{\Delta Q}}{{{{C}_{0}}}},$
электрического заряда
(5)
$\Delta Q = S{{{\gamma }}_{0}}\Delta T$
и электрической емкости плоского конденсатора

(6)
${{C}_{0}} = \frac{{\varepsilon {{\varepsilon }_{0}}S}}{h} = \frac{{\varepsilon S \cdot {{{10}}^{7}}}}{{4\pi h{{с}^{2}}}}.$

В приведенных формулах S, м2 – площадь обкладки конденсатора; ${{\gamma }_{0}}$ – пироконстанта; c – скорость света в вакууме, близкая к 3 ⋅ 108 м/с; ${\beta }$ = = 0.0037 К–1 – коэффициент объемного расширения воздуха; ${\rho }$ = 1.29 кГ/м3 – весовая плотность воздуха; ${{С}_{P}}$ = 1005 Дж/(кГ · град) – удельная теплоемкость воздуха; ${{C}_{{P{\text{пиро}}}}}$ = 800–900 Дж/(кГ · град) – удельная теплоемкость пироэлемента из титаната бария; ${{\varepsilon }_{0}} = \frac{1}{{4\pi {{с}^{2}}}} \cdot {{10}^{7}} = 8.854 \cdot {{10}^{{ - 12}}}$ Ф/м – электрическая постоянная.

Описанный гидрофон имеет два ценных качества: достаточно высокую чувствительность и практически неограниченную глубину погружения. Второе качество объясняется тем, что при увеличении глубины погружения гидрофона вода будет проникать через трубу и сжимать воздух в резервуаре. Можно так рассчитать форму и размер резервуара и трубы, что при достаточно большой глубине погружения гидрофона пироэлемент все время будет оставаться в воздушной среде. А поскольку пироэлемент можно выбрать в форме тонкой плоской пластинки, большие давления практически не будут сказываться на ее работоспособности.

ГРАДУИРОВКА ГИДРОФОНА

Градуировку инфразвукового гидрофона проще всего осуществить гидростатическим методом, который не требует применения излучателей звуковой энергии и может проводиться в отсутствие звукового поля. Этот метод может быть применен не только в лабораторных условиях, но и в полевых. Суть метода состоит в том, что градуируемый гидрофон погружают в воду на некоторую глубину и изменяют глубину погружения по определенному закону. Наиболее интересны два варианта:

1) глубину погружения изменяют на небольшую величину по гармоническому закону;

2) глубину погружения изменяют по линейному закону.

Изменения гидростатического давления в первом случае эквивалентны изменению инфразвукового давления, если частота изменений достаточно низка. Величина же изменений гидростатического давления очень просто определяется: каждый сантиметр изменения глубины погружения приводит к изменению гидростатического давления на 100 Па (с достаточной точностью).

Во втором случае чувствительность гидрофона определяется следующим соотношением [6]:

(7)
$\frac{{\Delta V}}{{\Delta P}} = \frac{K}{{(C + {{C}_{x}})}}\frac{\omega }{{\sqrt {{{{\{ 1{\text{/}}[R(C + {{C}_{x}})]\} }}^{2}} + {{\omega }^{2}}} }}.$
Здесь K – константа гидрофона, которая должна быть предварительно определена в эксперименте; С + Сx – сумма электрических емкостей чувствительного элемента и входа измерительной схемы, к которой подключен чувствительный элемент; R – сопротивление нагрузки чувствительного элемента (входное сопротивление усилителя). Второй множитель в формуле (7) определяет частотную зависимость чувствительного элемента в области низких частот.

Эксперимент по определению константы К состоит в следующем. Гидрофон, погруженный в воду, поднимают (или опускают) с постоянной скоростью. При этом на выходе гидрофона появляется электрический потенциал U постоянной величины, который усиливается усилителем постоянного тока и измеряется измерительным прибором. Тогда константа К вычисляется по формуле

(8)
$K = \frac{U}{{Rr}},$
где r – скорость подъема (или опускания) гидрофона.

Здесь необходимо сделать одно уточнение. Формула (3) представляет собой чувствительность гидрофона, обусловленную только пироэлектрическим эффектом, так как в нее входит только пироконстанта γ0 (пьезоэлектрические свойства пироэлемента не учитываются). Формула (7) учитывает оба эффекта – пироэлектрический и пьезоэлектрический [6]. Но так как пироэлектрический эффект в воздушной среде на несколько порядков больше пьезоэлектрического, то в первом приближении последним можно пренебречь.

Действующая модель описанного гидрофона была успешно испытана в условиях открытого моря. В качестве пироэлемента использованы четыре пластинки из пьезокерамики титаната бария толщиной 0.1 мм, соединенные последовательно (для повышения чувствительности). Площадь каждой пластинки около 20 мм2, полная емкость датчика (пироэлемента) около 550 пФ. При этом была достигнута чувствительность порядка 100 В/Па.

Список литературы

  1. Островский А.А. // Океанология. 1982. Т. 22. № 6. С. 980.

  2. Фурдуев А.В. // Акустика океана. М.: Наука, 1977. С. 615–691.

  3. Богуславская С.Н., Романенко Е.В., Холод Л.И. // Акустический журнал. 1971. Т. 17. Вып. 2. С. 210.

  4. Романенко Е.В. Физические основы биоакустики. М.: Наука, 1974.

  5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: ГТТИ, 1944.

  6. Raymond F.W. // JASA. 1963. V. 35. № 1. P. 69.

Дополнительные материалы отсутствуют.