Цель работы
Ознакомление с методикой и аппаратурой для измерения частотной зависимости потребляемой электрической мощности и КПД подводных электроакустических излучателей.
Методика измерений
Коэффициент полезного действия оценивается обычно полезной мощности устройства к затрачиваемой. Однако для акустических излучателей звука полезной принято считать всю мощность, излучаемую в среду. Поскольку у электроакустических излучателей электрическая энергия преобразуется в механическую энергию колебаний их подвижной системы и только часть механической энергии излучается в среду в виде акустиеской энергии, то используются понятия электроакустического КПД (ήэа), электромеханического КПД (ήэм) и акустико-механического КПД (ήам):
а) электроакустический КПД (иногда называемый полным КПД) показывает, какая часть электрической мощности Рэ преобразыется в акустическую мощность Ра, излучаемую в среду (газ, жидкость, твердое тело): ήэа= Ра / Рэ;
б) электромеханический КПД ήэм определяет ту часть электрической мощности Рэ, которая преобразуется в механическую мощность Рм: ήэм=
Рм / Рэ;
в) акустико-механический КПД ήам показывает, какая часть механической мощности Рм, приводящей в колебательное движение механическую подвижную систему, преобразуется в акустическую мощность Ра, приводящей в колебательное движение механическую подвижную систему, преобразуется в акустическую мощность Ра: ήам = Ра / Рм.
Эти коэффициенты полезного действия связаны между собой соотношением ήэа=ήэмήам.
КПД существенно зависит от частоты и имеет наибольшее значение на частоте механического резонанса электроакустического излучателя.
Для измерения КПД на частоте резонанса наибольшее распространение получил ваттметровый метод. Сущность этого метода заключается в следующем. Снимают частотные характеристики электрической мощности, потребляемой излучателем при последовательном нагружении его на рабочую среду и на воздух(пологая характеристики воздуха близкими к вакууму).
Под частотной характеристикой излучателя следует понимать зависимость полной потребляемой им электрической мощности от частоты при условии постоянства движущей механической силы (F=const), приложенной к механической колебательной системе излучателя. У преобразователей индуктивного типа для этого требуется поддерживать постоянной амплитуду высокочастотного тока возбуждения, протекающего по его обмотке в исследуемом диапозоне частот. Для излучателей емкостного типа постоянство движущей силы обеспечивается поддержанием неизменной амплитуды высокочастотного напряжения, приложенного к электродам преобразователя.
Примерный вид частотных характеристик потребляемой электрической мощности для электроакустических излучателей индуктивного типа(электродинамические, магнитострикционные) показан на рис 4.1, а; для излучателей емкостного типа – на рис. 4.1,б.
Максимальное значение потребляемой мощности, соответствующее наибольшей амплитуде механических колебаний, дает возможность определить резонансную частоту излучателя.
Резонансная частота излучателя, погруженного в рабочую среду, меньше, чем при нахождении его в воздухе, что вызвано влиянием соколеблющейся массы рабочей среды, существенно большей, чем соколеблющаяся масса воздуха.
У частотных характеристик потребляемой мощности излучателей индуктивного типа уровень спада характеристики на частотах, ниже резонансной, меньше, чем на частотах, выше резонансной. Это обьясняется увеличением электрических потерь в ферромагнитном сердечнике излучателя с возрастанием частоты. Если провести асимптоту к спадам частотных характеристик, то она будет характеризовать зависимость электрических потерь от частоты заторможенного излучателя.
Для преобразователей емкостного типа электрические потери не зависят от частоты, поэтому спады частотной характеристики выше и ниже резонанса лежит на одном уровне.
В области частот, лежащих вблизи механического резонанса ʄрез, к электрическим потерям добавляется электриская мощность Р м, расходуемая на механические колебания. На резонансе амплитуда механических колебаний приобретает наибольшее значение.
Полная электрическая мощность Р э, потребляемая излучателем, определяется суммой мощности электрических потерь и механической мощности: Р э= Р э.п+ Р м.
Механическая мощность, в скою очередь, складывается из мощности потерь на трение Р тр и излучаемой акустической мощности Р а: Р м= Р тр+ Р а.
На рис. 4.1 отрезки ординат BC и B’C’ между асимптотами DBB’E и осью абцисс определяют мощности электрических потерь Р э.п и Р ’э.п, а отрезки AB и A’B’ – значения механических мощностей Р м и Р’ м на резонансной частоте. Отрезки AC и A’C’ определяют полные электрические мощности Р э и Р’ э, потребляемые излучателем при нагрузке его на рабочую среду и воздух соответственно.
При соблюдении условия постоянства движущей механической силы для частоты механического резонанса, соответствующего рабочей среде, электромеханический коэффициент полезного действия определяется выражением:
,
где 
-сопротивление трения, 
-сопротивление излучения, 
- амплитуда движущей силы.
Если преобразователь работает в воздухе, то ввиду малости значения 
его механическую мощность можно считать практически равной
.
При работе излучателя в воде сопротивление излучения излучателя велико и механическая мощность
.
Для отношения мощностей в воде и воздухе получаем
Обозначив 
, предыдущее равенсто можно переписать в виде
Но, как известно, 
откуда
Условия постоянства движущей силы выполняются путем поддержания неизменной амплитуды переменного тока возбуждения в обмотке излучателя индуктивного типа и постоянной амплитуды переменного напряжения возбуждения на обкладках излучателей емкостного типа в диапазоне частот измерений.
Указанный метод справедлив для малых амплитуд колебаний излучающих поверхностей в пределах линейных участков работы излучателей.
Описание измерительной установки
Структурная схема установки, используемой для снятия частотной характеристики излучателей, приведена на рис. 4.2. Для излучателей индуктивного типа, работающих, как правило, с подмагничиванием. Предусмотрен дополнительный источник постоянного тока, включаемвй последовательно с обмоткой излучателя.
Генератор электрических колебаний 1 возбуждает излучатель индуктивного типа 3 (вместе с блоком подмагничивания 5) или емкостного типа 4. Амплитуда тока возбуждения контролируется жлектронным вольтметром 6 по напряжению на сопротивлении R, включенном последовательно с излучателем. При возбуждении емкостного излучателя амплитуда напряжения контролируется тем же вольтметром, подключаемым при этом в точку б.
Частота контролируется частотомером 7.
Потребляемая мощность измеряется электронным ваттметром 2. На ваттметре следует установить пределы измерений по току I и напряжению U таким образом, чтобы стрелка прибора отклонялась от начала шкалы на достаточное для отсчета число делений и чтобы не возникала перезагрузка прибора (контролируются по индикатору прибора). Цена деления ваттметра определяется как UI/n, (в милливаттах на деление) где n- число делений шкалы ваттметра.