Akademik

акустических излучателей и приёмников - нек-рая пространственная избирательность излучателей и приёмников, т. е. способность излучать (принимать) звуковые волны в одних направлениях в большей степени, чем в других. В режиме излучения H. обусловливается интерференцией звуковых колебаний, приходящих в данную точку среды от отд. участков излучателя (в случае многоэлементной акустич. антенны - от отд. элементов антенны). В режиме приёма H. вызывается интерференцией давлений на поверхности приёмника, а в случае приёмной акустич. антенны - также и интерференцией развиваемых приёмными элементами электрич. напряжений при падении звука из нек-рой точки пространства. В нек-рых случаях, напр. у рефлекторных, рупорных и линзовых антенн, в создании H. кроме интерференции существ. роль играет и дифракция волн. Аналогичные физ. явления вызывают H. эл.-магн. излучателей и приёмников (H. эл.-магн. антенн), поэтому в теории направленности акустич. и эл.-магн. антенн много сходных понятий, определений и теорем. В зависимости от матем. модели, к-рой можно описать данный излучатель (см. Излучение звука), для расчёта его H. пользуются разл. теоретич. методами. В случае наиб. простой модели, представляющей собой дискретную (или непрерывную) совокупность малых по сравнению с длиной волны l излучающих элементов, поле излучателя определяется суммированием (или интегрированием) сферич. волн, создаваемых отд. элементами. Для плоских излучателей, заключённых в бесконечные плоские экраны, применяется принцип Гюйгенса. Поле сложных цилиндрич. или сферич. излучателей определяется с помощью метода собств. ф-ций. Наиб. общие теоретич. методы основаны на использовании ф-ций Грина.

H. излучателей и приёмников звука описывают чаще всего двумя параметрами: характеристикой направленности и коэф. концентрации (наз. также коэф. направленного действия). Характеристикой H. излучателя называется представленное в ф-ции направления относит. значение звукового давления р, создаваемого им на фиксиров. расстоянии r в дальнем поле (т. е. при r >> 2d²/l, где d - наиб. размер излучающей поверхности). Направление задаётся единичным радиусом-вектором и (или углами f, q); значение звукового давления относят, как правило, к давлению в направлении макс. излучения u₀(j₀, q₀)- T. о., характеристика H. излучателя выражается как

Характеристикой H. приёмника наз. его относит. чувствительность g (см. Приёмники звука), выраженную в ф-ции направления прихода звуковой волны. Чувствительность относят обычно к её значению в направлении макс. приёма, так что характеристика H. по приёму имеет вид

Для обратимых преобразователей (антенн) характеристики H. при работе в режиме излучения и в режиме приёма совпадают:

Наиб. практич. интерес представляет модуль характеристики H. |D(u)| = R(u), наз. также амплитудной характеристикой H.

Характеристику H. в сечении нек-рой плоскостью, проходящей через направление макс. излучения (диаграмму H.), представляют в полярной (рис., а )или в декартовой (рис., б )системах координат.

Типичный вид характеристики направленности: a- в полярной системе координат (OA - направление главного максимума, a_0,707 - угловая ширина главного максимума на уровне 0,707, a₀ - угловая ширина главного максимума по первым нулям характеристики направленности); б - в декартовой системе координат.

В этом случае аргументом характеристики H. обычно является угол, отсчитываемый от направления макс. излучения, и характеристика H. представляется в виде ф-ции R(a). Различают след. осн. области и параметры характеристики H.: главный (основной) и добавочный максимумы (лепестки диаграммы H.); ширина гл. максимума по уровню 0,7; ширина по направлениям нулевого излучения; величина добавочных максимумов (по отношению к главному).

Коэф. концентрации К - мера концентрации излучаемой мощности в нек-ром направлении пространства (обычно в направлении u₀). Определяется он отношением интенсивности звука, создаваемой рассматриваемым излучателем в направлении u₀ на расстоянии r >2d²/l, к интенсивности, создаваемой в той же точке гипотетич. ненаправленным излучателем с такой же излучаемой мощностью. Ф-лы для расчёта коэф. концентрации имеют вид

где W - полный телесный угол, r с - волновое сопротивление среды, W - мощность излучателя.

В режиме приёма коэф. К характеризует помехоустойчивость приёмника в поле изотропных помех, источники к-рых независимы; он равен отношению мощностей помех на выходе ненаправленного и рассматриваемого направленного приёмников в указанном поле при условии равенства их чувствительностей.

В первом приближении чем больше волновые размеры излучателя (отношение геом. размеров к длине волны), тем меньше ширина его характеристики H. и тем больше К. При размерах активной поверхности, больших l, для плоского поршня K=4pS/l (где S- площадь поршня), а для антенны в виде отрезка прямой К= 2l/l (l - длина отрезка).

В табл. приведены ф-ции, описывающие характеристики H. нек-рых простейших непрерывных излучателей и дискретной эквидистантной решётки, состоящей из ненаправленных излучателей (монополей). Символами a_0,7 и a₀ обозначены углы, равные ширине характеристики H. на уровне 0,7 и на нулевом уровне соответственно, а также приведены приближённые ф-лы, определяющие эти величины; s₁ - уровень первого добавочного максимума характеристики H.; z - обобщённый параметр, равный (pd/l)sina. Угол a отсчитывается от перпендикуляра к плоскости излучателя, символами J₀(z )и J₁(z )обозначены ф-ции Бесселя первого рода, нулевого и первого порядков. Как правило, характеристики H. непрерывных антенн, излучающих одной стороной, т. е. имеющих тыльный акустич. экран, обладают одним максимумом, равным единице,- главным. Особенностью характеристик H. эквидистантной линейной решётки, состоящей из монополей, является наличие (при периоде решётки d, большем l) неск. максимумов, равных единице. H. рефлекторных и линзовых антенн в первом приближении совпадает с H. плоской антенны, размеры к-рой равны размерам поперечного пучка в раскрыве рефлектора или линзы.

ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ НАПРАВЛЕННОСТЬ ПРОСТЕЙШИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ЗВУКА

Во мн. случаях анализ H. сложных излучателей и приёмников существенно упрощается при использовании теорем о H.: умножения, смещения и сложения. Так, в соответствии с теоремой умножения характеристика H. антенны, состоящей из одинаковых, ориентированных в пространстве элементов, равна произведению характеристик H. одного элемента и гипотетич. антенны, состоящей из монополей, расположенных в центрах реальных элементов.

H. излучателей зависит от амплитудно-фазового распределения колебат. скорости их активной поверхности. Так, напр., уменьшение амплитуды колебат. скорости от центра к краям плоского излучателя приводит к расширению осн. максимума характеристики H. и уменьшению добавочных, а увеличение амплитуды от центра к краям - к уменьшению ширины осн. максимума и увеличению добавочных. Коэф. концентрации при введении неравномерного амплитудного распределения несколько уменьшается. Среди разл. фазовых распределений следует отметить распределение, обеспечивающее синфазное сложение давлений от отд. участков излучателя в нек-ром направлении пространства u₀, т. е. "компенсацию" антенны в этом направлении. В случае плоской или линейной антенны в виде отрезка прямой распределение, обеспечивающее т. н. компенсацию, является линейным. Введение фазовой задержки сигнала возбуждения элемента линейной антенны с координатой x на величину (2p/l)xsina_1. приводит к повороту гл. максимума характеристики H. на угол a. Меняя величину задержки, можно обеспечить сканирование характеристики H. внутри нек-рого угла в пространстве.

Существуют методы решения обратных задач теории антенн (синтеза антенн), позволяющие определить амплитудно-фазовое распределение, обеспечивающее формирование характеристики H., приближающейся в какой-то мере к заданной, или достижение экстремального значения к.-л. параметра (напр., максимума коэф. концентрации). В нек-рых случаях решение обратной задачи приводит к острым характеристикам H. и высоким значениям коэф. концентрации при относительно малых волновых размерах антенны; получаемые таким путём т. н. сверхнаправленные антенны обладают по-выш. чувствительностью к случайным ошибкам амплитудно-фазового распределения, а потому практически не реализуемы. Примером умеренно сверхнаправленных антенн, реализуемых практически, являются диполь, а также т. н. кардиоидный приёмник, H. к-рого имеет вид 0,5(1 + cosa).

В твёрдой среде кроме продольных (существующих в газах и жидкостях) возникают и поперечные волны. При этом различают характеристики H. по продольным и поперечным волнам.

H. акустич. излучателей и приёмников играет значит. роль в гидролокации, УЗ-дефектоскопии, медицинской ультразвуковой диагностике.

Лит.: Минкович Б. M., Яковлев В. П., Теория синтеза антенн, M., 1969; Римский-Корсаков А. В., Электроакустика, M., 1973; Скучик E., Основы акустики, пер. с англ., т. 1-2, M., 1976; Справочник по радиолокации, пер. с англ., т. 2 - Радиолокационные антенные устройства, M., 1977; Иофе В. К., Корольков В. Г., Сапожков M. А., Справочник по акустике, M., 1979; Смарышев M. Д., Добровольский Ю. Ю., Гидроакустические антенны, JI., 1984. M. Д. Смарышев.