Величины полных сопротивлений среды

Величины полных сопротивлений среды выбираются из следующих условий.

Среда должна позволять передающему и приемному преобразователям с хорошим к. п. д. превращать энергию соответственно из электрической формы в ультразвуковые волны и наоборот. Обычно это требование удовлетворяется при малом значении полного сопротивления среды.

С другой стороны, среда должна в достаточной мере демпфировать преобразователь для получения требуемой полосы пропускания. Это значит, что полное сопротивление среды не должно быть слишком малым.

Скорость распространения волн в среде должна быть, по возможности, меньшей и не должна зависеть от температуры.

Среда должна обеспечивать выполнение хорошего механического контакта ее с преобразователем.

Затухание волн в среде должно быть незначительным. Наиболее пригодными средами по указанным выше показателям -являются ртуть, вода и плавленый кварц.

Ультразвуковая линия позволяет получать гораздо большую •величину запаздывания, чем искусственные линии задержки типа LC так как фазовые и амплитудные искажения при распространении ультразвуковых волн значительно меньше, чем при распространении электромагнитных волн. Искажения сигнала, обусловленные ультразвуковой линией, также получаются незначительными, что позволяет точно воспроизводить импульсы, обладающие широким спектром частот. Но вследствие ограничений в полосе пропускания электромеханического преобразователя часто приходится передавать через линию импульсы в виде огибающих высокочастотных несущих колебаний, чтобы избежать недопустимых искажений.

В качестве электромеханических преобразователей для таких сред, как ртуть, плавленый кварц, вода и др., используются кристаллы кварца, имеющие х-срез и создающие поперечные колебания, обычно на основной резонансной частоте кварца.

Для линий, обладающих магнитострикционным эффектом, в качестве преобразователей используются электромагнитные катушки. Целый ряд материалов обладает положительным или отрицательным магнитострикционным эффектом, т. е. способностью изменять свои механические свойства при приложении магнитного поля. Обычно в качестве материала магнитострикционных линий задержки используется никель, обладающий отрицательным эффектом, благодаря которому при приложении внешнего магнитного поля происходит сжатие материала в области поля [133].

Деформация материала вызывает появление упругой волны, которая распространяется вдоль линии со скоростью v, равной

где Е — модуль упругости; р — плотность.

которое определяется из выражения

где l — длина линии между входным и выходным преобразователями. При этом в области выходной катушки происходит изменение магнитного потока, вследствие чего на зажимах катушки появляется э. д. с. Так как магнитострикционный эффект является четным эффектом, то знак выходного напряжения не зависит от полярности входного импульса, если нет начального подмагничивания.

Полярность выходного напряжения магнитострикционной линии определяется магнитным смещением у выходной катушки, осуществляемым обычно с помощью постоянного магнита.

Диаметр проволоки магнитострикционной линии с точки зрения искажений следует выбирать как можно меньше из-за вредного влияния поверхностного эффекта и искажения импульса сжатия при движении его по линии. Однако для увеличения амплитуды выходного сигнала следует увеличивать диаметр проволоки. Поэтому практически магнитострикционная линия выполняется из нескольких жил проволоки [16].

При применении в качестве передающей среды кварцевого стержня упругая волна получается за счет пьезоэлектрического эффекта во входном кварцевом преобразователе при приложении электрического поля (рис. 15). Скорость распространения упругой волны в плавленом кварце равна 5,45 103 м/сек.

Обратный пьезоэлектрический эффект позволяет получать электрический импульс в выходном преобразователе спустя время запаздывания, определяемое формулой (1.113).

В ртутных линиях задержки входной сигнал подается на кварцевый излучатель, возбуждающий в столбе ртути ультразвуковую волну, скорость распространения которой в этом случае равна 1,5-103 м/сек. На выходе линии находится приемник, преобразующий сигнал в электрические колебания.

Рассеяние пучка упругих волн, излучаемого входным преобразователем в указанных выше ультразвуковых линиях, зависит как от преобразователя, так и от среды и определяется в основном отношением размеров передающего устройства к длине излучаемой волны в среде. Данные о рассеянии пучка, обусловливающие искажения, важны для выбора размеров преобразователя и для определения того расстояния, на которое можно удалять один преобразователь от другого, что в конечном итоге определяет время запаздывания линии.

Опытные и теоретические данные показывают, что основная доля излучения для расстояний, равных нескольким диаметрам передающего кристалла кварца, распространяется в пределах воображаемого цилиндра, ось которого проходит через центр передающего кристалла, а радиус равен радиусу кристалла. Поэтому приемный кристалл, имеющий тот же радиус, что и передающий, будет принимать в этой области большую часть излученной энергии. При значительном увеличении расстояния между передающим и приемным кристаллами, как показывают исследования, воспринимаемое излучение изменяется незначительно. Поэтому расстояние между передающими и приемными кристаллами можно изменять в больших пределах для получения различного времени запаздывания, не влияя при этом на амплитуду сигнала выходного преобразователя.

Значения времен запаздывания, получаемых с помощью описанных выше устройств, лежат в пределах от сотен микросекунд для искусственных линий до десятков миллисекунд для ультразвуковых линий. Однако ниже будут рассмотрены способы построения с помощью указанных линий устройств запаздывания для непрерывных сигналов с гораздо большими значениями времени запаздывания.

В этом случае такая линия используется в качестве динамического регистра [133] для запоминания лишь одного значения передаваемого через устройство запаздывания непрерывного сигнала, преобразованного в цифровую форму.

В начале параграфа было указано на возможность создания устройств запаздывания импульсных сигналов с применением формирующих цепей.

Наиболее распространенными типами таких устройств являются импульсные линии задержки на магнитных элементах и на мультивибраторах. Магнитные элементы, применяемые для создания запаздывания, обладают характеристикой намагничивания, близкой к прямоугольной. Простейшая схема и условное обозначение такого магнитного элемента показаны на рис. 16, а его кривая намагничивания — на рис. 17.

  приложенные к первой обмотке, изменяют значения магнитной индукции сердечника на столь малую величину (от точки N до точки L), что этими изменениями можно пренебречь.

подключенное к выходной обмотке только в случае уменьшения магнитной индукции.

возникнет импульс напряжения. Его форма будет несколько искажена по сравнению с формой импульса управляющего напряжения из-за отклонения кривой намагничивания от прямоугольной формы.

Следовательно, выходной импульс оказывается сдвинутым во времени по сравнению с входным импульсом на величину, определяемую периодом следования управляющих импульсов, который, в свою очередь, не может быть выбран большим, чем период следования входных импульсов.

Полученный сигнал

С помощью таких цепей могут быть реализованы запаздывания до десятков секунд. Если же в этой цепи замкнуть выходной элемент с входным, то получается динамический регистр (рис. 19), в котором непрерывно может циркулировать определенное значение непрерывного сигнала, выраженное в двоичной форме.

Имея большое количество таких регистров, можно обеспечить значительные запаздывания для инфранизких сигналов или сигналов звукового диапазона частот, преобразовав их предварительно в дискретную форму.

Импульсные линии задержки на мультивибраторах могут быть выполнены принципиально в виде двух схем: параллельной передачи сигнала и последовательной.