SONDE PARTEA INTAI

download SONDE PARTEA INTAI

of 139

Transcript of SONDE PARTEA INTAI

7 Partea a III-a APARATEI ECHIPAMENTE PENTRU MSURAREA ADNCIMILOR 5. ELEMENTE DE HIDROACUSTIC 5.1. Unde elastice. Ecuaia undei plane Experienaaratcomicareoscilatorie,imprimatunui punct dintr-un mediu elastic, se comunic progresiv i la celelalte punctealemediului.Punctulmaterialceafostpusnstarede vibraiedevineosursdeoscilaiicaresepropagntoate direciile mediului. Propagareadinaproapenaproapeauneiperturbaiin mediul elastic poart numele de und elastic. Dac sursa se afl ntr-unmediuelastic,mpreuncueavoroscilatoatepunctele cuprinse n volumul mediului dat. Loculgeometricaltuturorpunctelorpnlacareajunge unda la un moment dat se numete frontul undei. ncazulpropagriiundeintr-unmediuomogeniizotrop, frontuldeundareformauneisuprafee,numitsuprafade und,caresedefinetecafiindloculgeometricalpunctelorce oscileaz n faz. Suprafeeledeundpotfidediferiteforme,nfunciede mediul de propagare i de forma sursei de unde. Cele mai simple forme ale suprafeelor de und sunt plane sau sferice i sunt date de ctre undele plane respectiv sferice. 8 Duprelaiaceexistntredireciadepropagareidirecia deoscilaie,undelesempartndoucategorii:dacceledou direciicoincid, undele senumesclongitudinale;dac cele dou direciisuntperpendicularentreele,undelesenumesc transversale. Seconsideroporiunedintr-unmediuelasticliniar,adic uncorpcearelungimeamultmaimaredectcelelaltedou dimensiuni(fig.5.1)isursadeoscilaiiO.Modelulacestui mediu se poatereprezenta prin punctematerialedistribuiteliniar ntre O i P, ntre ele acionnd fore elastice de tip Hooke. Fig. 5.1 Procesul de propagare a undelor transversale. 4Tt = 2Tt = 43Tt = T t = x Pdcba y I II III IV V 9 Dinmecanismulpropagriiundeielasticerezultoseriede concluzii: Punctelemediuluielasticexecutmicriordonatedupo lege bine determinat, deci se poate vorbi de o micare colectiv ordonat. Prinundeleelasticesepropagmicareaoscilatorieinu punctele materiale, care execut doar o micare oscilatorie local, decinuexistuntransportdemasntimpulpropagrii,ciun transport de energie. n acelai timp se constat c fiecare particul are o micare oscilatorie deaceeaiperioad(T)iamplitudine(A)cai sursa de oscilaii, dar de faz diferit. nfig.5.1prinsgeileorizontalesearatdireciaisensul depropagarealundei,iarprinsgeiverticale,direciaisensul de oscilaie. Distanaconsideratpedireciadepropagaredintredou particule succesive care oscileaz n fazse numete lungime de und (). ncazulmediilorelasticeomogeneiizotrope,vitezade propagare (c) a undei este o constant caracteristic mediului i se exprim prin relaia: Tc=(5.1.) unde: T- perioada oscilaiilor; Tf1= - frecvena oscilaiei. Propagareatransversalaoscilaiilorarelocnumain mediilesolide,ntimpcepropagarealongitudinalsentlnete att n mediile solide ct i cele fluide(lichide i gaze). 10Pentruacunoateprocesuldepropagarealundeieste necesar s cunoatem n orice moment elongaia fiecrei particule aflate pe direcia de propagare Ox (fig. 5.2) Elongaia particulei din punctul O este: y = A sint(5.2) unde: A amplitudinea; pulsaia . Propagndu-se pe direcia (Ox) oscilaiile ajung n (M) dup timpul: cr= (5.3) unde:r = OM Fig. 5.2Mrimi specifice oscilaiilor acustice M T x1 A y r y 0x 11 Se consider ca origine a timpului momentul n care punctul (O)anceput s oscileze, particuladin punctul(M) vancepe s oscileze dup timpul (), n acest caz elongaia oscilaiei fiind: ) ( 2 sin ) ( sinT Tta t a y = =(5.4) dar : =cT irTc r = = (5.5)

rezult:

) ( 2 sinrTtA y = (5.6) Relaia(5.6)reprezintlegeadeoscilaieaunuipunct materialsituatpedireciadepropagareaundelor,ladistana(r) de originea oscilaiilor. Relaia (5.6) se mai numete ecuaia undei plane sau ecuaia razei de und. Ea arat c elongaia unui punct, pus n stare de oscilaie de o und plan, depinde de timpul (t) i de distana ( r ) a punctului fa de sursa de oscilaie. Notnd cu: T2=i 2= K (5.7) Kfiindnumruldeund,adicnumruldelungimide und al unei oscilaii cuprins pe distana 2 metri. Ecuaia (5.6) se scrie: 12 ) sin( kr t A y = (5.8) Derivataadouaarelaieielongaiei(y)nraportcutimpul este:

y kr t Aty2 222) sin( = =(5.9) Seconsiderdireciadepropagaredreptaxa(Ox),derivata de ordinul doi n raport cu coordonata x a mrimii r este:

y K kr t A Kxy2 222) sin( = =(5.10) Se expliciteazy din (5.10) i se introduce n ecuaia (5.9)

222222xyK ty = (5.11) dar: 22222cT K= = (5.12) rezult: 22222xycty= (5.13) 13 Ecuaia(5.13)estecunoscutisubdenumireadeecuaia coardelor vibrante,fiind una dinformeleecuaieide propagarea undelor plane. 5.2.Mrimi acustice nlichidesepotpropaganumaiundelelongitudinale, deoareceaicinupotsapardeformrideforfecare,cinumai deformri de compresie destindere. 5.2.1. Viteza de propagare Pentruadeterminavitezadepropagareaundelor,se consider o coloan de fluid, (fig.5.3). de seciune constant(S), a crei ax de simetrie coincide cu direcia de propagare a undelor.

Fig. 5.3 Viteza de propagare a undei plane x S O MM c x l Fr 14Sepresupunecoundplanlongitudinalsepropagn lungulcoloaneidefluid,iarlamomentulto=0,frontuldeund ocup poziia M(x=0). Subaciuneauneiforedeformatoare,( Fr)toatepunctele aflatepesuprafaatransversalS(x=0)sedeplaseaznacelai timp, cu aceeai vitez i sunt n faz. Se studiaz fenomenul de propagare a undei n intervalul de timpegalcutncarepunctelesuprafeeiSsedeplaseazpe distana egal cu elongaia, din M n M. Conform legii lui Hooke fora deformatoare va fi: xl SE p S F = =(5.14) unde: p presiunea suplimentat ce acioneaz pe unitatea de seciune a coloanei E modulul de elasticitate;

VVp = 1(5.15) n care: V volumul fluidului ce sufer deformareaV; - coeficientul de compresibilitate. Egalnd expresiile pentru p rezult: EVVVVE = = 1 1(5.16) 15 Semnulminusarat claomicorarede volumcorespunde o cretere a presiuniiImpulsul forei n timpul t este:

cl S Ext l SE t F = = (5.17) nacelaiintervaldetimpt,caurmareaaciuniiforei deformatoare este pus n micare masa m a coloanei de lungime x.

t c S x S V m = = = (5.18) al crei impuls este:

tlt c S V m = (5.19) Egalnd expresiile (5.19) cu (5.17) se obine:

l c Scl S E = (5.20) de unde rezult viteza de propagare a undei:

Ec =sau 1= c (5.12) 165.2.2. Viteza de oscilaie Perturbaia provocat de unda sonor produce comprimri i destinderisuccesivealemediuluinconjurtor,rezultndunda sonorcaresepropagdinaproapenaproape.Regiuneadin mediul elastic n care se produce i se propag oscilaia sonor se numete cmp sonor. Particuleleaflatencmpulsonorefectueazmicri oscilatorii, date de ecuaia (5.6).

) ( sincrt A y = Viteza de oscilaie a punctului material (diferit de viteza de propagare a undei) se obine prin derivarea relaiei (5.6) n raport cu timpul: ) cos(crt A v = (5.22) unde: A = Vm(amplitudinea vitezei de oscilaie). 5.2.3. Presiunea sonor Fiecarepunctalcmpuluisonorestecaracterizatdeaa numita,presiunesonor,egalcudiferenadintrepresiuniledin punctulrespectiv,ncazulexisteneiundelorsonoreicndnu exist aceste unde. Aceastpresiunesuplimentaraparecaurmarea destinderiloricomprimrilorperiodiceceseproducla propagarea undei sonore. 17 Pentruasecalculapresiuneasonorsearenvederefaptul smediulprincaresepropagundasonorsuferdeformaii elastice, fiind deci valabil legea lui Hooke. llESF =(5.23) Sepresupuneunvolumdincmpulsonordeformaunui paralelipipeddelungime(l)isuprafa(S)perpendicularpe direcia de propagare a undelor, relaia de mai sus devine: llE p= (5.24) unde: l - amplitudinea oscilaiei particulei aflate n cmpul sonor; p - presiunea sonor. Cunoscndc(vitezadepropagareaundelorsonore)iv viteza cu care oscileaz punctul material, din (5,24) se obine:

cvEt ct vEllE p = == (5.25) generaliznd rezult:

cvE p = (5.26) nlocuindexpresiavitezeidepropagareaundelorsonore dat de (5.21) 18

EvE p =

i ridicnd la ptrat rezult: P2 = Ev2 dar: vc PE= introducnd n relaia anterioar se obine: v cvv c PP = = 22 n final rezult:

v c P = (5.27) Decipresiuneaacusticntr-unpunctalmediuluide propagareesteegalcuprodusuldintredensitateamediului, vitezadepropagare aundeic iviteza deoscilaiev aparticulei n punctul considerat. 5.2.4.Rezistena acustic Presiuneaacusticvariindnmodperiodic,pentruunpunct al cmpului sonor putem scrie valoarea maxim: 19 Pm = c vm(5.28) unde:Pm valoarea maxim a presiunii sonore; vm- valoarea maxim a vitezeide oscilaie. Conform (5.22): vm = A (5.29) Se mpart ambii membri ai expresiei (5.28) cu vm i se obine valoarea rezistenei acustice:

cvPRmma = = (5.30) Rezistenaacustic(Ra)esteraportuldintrepresiunea acusticivitezadeoscilaieaparticuleimediuluielasticegal numericcuprodusuldintredensitateamediuluiivitezade propagare a undelor acustice. 5.2.5.Rigiditatea acustic nlocuindn(5.30)amplitudineavitezeideoscilaiedat de (5.29) se obine: = cAPm rezult:

= =amR cAP (5.31) 20Raportulntreamplitudinea(Pm)apresiuniiacusticei amplitudinea(A)aoscilaiilor,egalnumericcuprodusuldintre rezistenaacusticipulsaiamicriioscilatoriiaparticulelor acestui mediu, se numete rigiditate acustic, expresia (5.31). 5.2.6.Energia acustic Aa cum s-a artat la propagarea undei acustice, ntr n stare de oscilaie mase mereu noi ale mediului. De propagarea procesului oscilatoriu este legat i transportul deenergie,caresecompunedinenergiacineticienergia potenial. Suma energiei cinetice (Wc) i a energiei poteniale (Wp) este egal n orice moment, cu valoarea maxim a energiei poteniale, nmomentulabateriimaximeaparticuleidelapoziiade echilibru,saucuvaloareamaximaenergieicineticepecareo posedparticulaatuncicndtreceprinpoziiadeechilibru. Energia transportat se poate deci determina prin calculul valorii maxime a uneia din cele dou energii. Valoarea maxim a energiei cinetice este dat de expresia: 22mcv mW=(5.32) Dacdintr-unmediuelastic,antrenatntr-omicare oscilatorie,sevaseparaunvolum(V),avndmasa(m), ntreaga cantitate de energie a oscilaiilor, raportat la unitatea de volum se determin cu relaia: 21 Vv mWmc =221(5.33) dar:

V m = deci: 2 22121m m cv vVVW = =(5.34) Expresia(5.34)reprezint decienergiatotaltransportatla propagarea oscilaiilor:

221mv W = (5.35) sau:

2 221A W = (5.36) 5.2.7.Intensitatea acustic Cantitatea de energie transportat n unitatea de timp, printr-o unitate de suprafa, perpendicular pe direcia de propagare se numete intensitatea acustic (sunetului). t SWI= (5.37) Sepresupunecoscilaiasonorsetransmiteprinvolumul (V), de mas (m), seciune (S) i lungimea (l), n timpul (t), separat dintr-un mediu elastic, astfel c ecuaia (5.37) devine: 22 t SA Vt SmVt SWIm c ===2 2 221 rezult: tl AI =22 2 dar: ctl= rezult:

c V c A Im = =2 2 22121 (5.38) Din expresia (5.38) rezult c intensitatea sunetului depinde attdefactoriicarecaracterizeazoscilaia(i)ctide factorii ce caracterizeaz mediu de propagare ( i c) Avndnvedererelaia(5.28)sepoatescrieexpresia intensitii sunetului sub forma: cPIm= 22(5.39) Relaiapermitedeterminareaintensitiiacustice,msurnd presiunea acustic. 23 5.2.8.Puterea sonor Cunoscndintensitateasunetuluiputemdefiniputerea sonor: dP = I ds (5.40) unde: ds suprafaa elementar strbtut de energia sonor. Putereasonorauneisurseseobineintegrndexpresia (5.40):

= ds r I P ) ( (5.41) n care: r distana de la surs la punctul considerat; I(r) intensitatea sonor la distana r de surs.

5.3. Fenomene ondulatorii

5.3.1.Reflexia undelor Reflexiaundelorestefenomenuldentoarcereaundei incidente n mediul n care se propag, la atingerea suprafeei de separaieaaltuimediu.Presupunndcaltefenomenenu intervin,reflexiasefacenumaicuschimbareadirecieisensului de propagare.Pentrustabilirealegilorreflexiei,seconsiderfigura(5.4) unde: (AB) - suprafaa de separaie dintre dou medii I i II; Ri raza de und inciden;Rr raza de und reflectat. 24Se presupune c sursa de oscilaie se afl la o distan foarte mare(teoreticlainfinit)idecisuprafeeledeundsuntplane perpendiculare pe direcia de propagare a oscilaiilor. Fie (Ri) i ('iR ) dou raze ce delimiteaz un fascicul incident i care fac cunormala (MN) la suprafaa de separaie unghiul (i), numit unghi de inciden. Acesterazeintersecteazsuprafaadeseparaienpunctele (M)i(N)laintervaluldetimp(t)unadealta.Conform principiuluiluiHuygens,puncteledepesuprafaadeseparaie, cuprinsentre(M)i(M1)devinsursesecundaredeoscilaie independente,delacaresevapropaganmediul(I)noiunde plane, numite unde reflectate. nmomentulncarerazaRiajungen(M),raza('iR )s-a propagatpnnpunctul(P)pefrontuldeundalundelor incidente.Puntul(M)deveninduncentrusecundardeoscilaii, din (M) se vor propaga unde n primul mediu. Fig. 5.4.Reflexia undelor N MM1 RFr Fi Fi Rr Rr P P i r I II A 25 ntimpulnecesarrazeideund(Ri)sajungdin(P)n (M1),frontuldeundcares-apropagatdin(M)areformaunei semisfere cu centrul n M i cu raza (MP). P M t c MP1'' = = Pentruaafldireciadepropagareaundelorreflectate trebuiesdeterminmfrontuldeund(Fr).Acestlucruse realizeaz ducnd din punctul M1 o tangent la frontul de und al undelorprodusedesursasecundardeoscilaiidinpunctul(M). Razelereflectatefiindperpendicularepefronturilelordeund, rezultevidentcdireciarazeidusedin(M)lapunctulde tangen P va indica direcia razei reflectate (Rr) n (M). n mod asemntor,raza(Rr)perpendicularpefrontuldeund(Fr) corespunde reflexiei razei incidente (Ri) n punctul (M1). Unghiul(r)dintrerazareflectatinormala(MN)se numete unghi de reflexie. Din fig. (5.4) rezult c: MPM1 =MPM1- triunghi dreptunghic; - ipotenuza ( MN ) comun - catetele ( P M MP1= )deci : r i =(5.42) Expresia(5.42)reprezintprimalegeareflexieiiaratc unghiul de inciden este egal cu unghiul de reflexie. Cea de a doua lege rezult din construcie: raza direct, raza reflectat i normala n punctul de inciden se gsesc n aceleai plan. 265.3.2.Refracia undelor Refracia undelor este fenomenul definit ca o schimbare a direciei de propagare a undei la trecerea dintr-un mediu n altul , fig. (5.5). ncazulcndsuprafaaABsepardoumediidedensiti diferite (1 < 2) conform relaiei (5.21), vitezele undelor n cele dou medii vor fi: (c1>c2). Avnd n vedere c unda produs n punctul (M) se propag i n mediul al doilea, vom stabili care sunt legile fenomenului de refracie a undelor.Conformfig.(5.5)seobservcntimpceunda(Ri) parcurge distana (PM1), unda produs de punctul (M) se propag n mediul al doilea cu o vitez mai mic. Acestfaptfacecaundarefractatsseaflepeunfrontde undesfericecuraza(MP),gsindu-seplanuldeundFr,deci direcia undei refractate va fi pe direcia razei MP Din triunghiurile dreptunghice MPM1 i MPM1 rezult: 1111sinMMt cMMPMi= = 121sinMMt cMMMPr= = mprind relaiile rezult:

cstccri= =21sinsin(5.43) Relaia(5.43)exprimlegeaadouaarefraciei,raportul dintresinusulunghiuluideincidenisinusulunghiuluide 27 refracieesteovaloareconstantpentrudoumedii,carese numeteindicederefracie(n)almediuluialdoileanraportcu primul:

21ccn =(5.44) Dinfigura(5.5)rezultiprimalegearefraciei,unda direct,undarefractatinormalalasuprafaadeseparaien punctul de inciden sunt n acelai plan.

Fig. 5.5 Refracia undelor N M M1 RFr Fi Fi Rr Rr P P i r I II A i r 285.3.3. Interferena undelor Interferena undelor acustice este fenomenul de suprapunere a dou sau mai multe unde ntr-un punct al mediului elastic. Pentruasestudiafenomenuldeinterferensefolosete metodacompuneriimiciloroscilaii,careconstnfaptulc, micareapunctuluimaterialncarearelocInterferenaundelor estedatderezultantamicrilordemicamplitudine,impuse acestuipunctdefiecareundnparte(principiulsuprapunerii efectelor).RegiuneadinspaiuncarearelocInterferenase numete cmp de interferen. Cmpuldeinterferenestecaracterizat,prinexistenaunor puncte care oscileaz cu amplitudini diferite. Un interes deosebit lprezintInterferenaundelorcoerente,adicaacelorunde pentru care diferena de faz se menine constant, n timp, pentru un punct oarecare din cmpul de interferen. Seconsiderdouundecoerentecarevindeladousurse coerenteS1iS2aflateladistanelex1ix2depunctulMdin mediulelastic.Sepresupunecelongaiilecelordouundesunt peaceeaidirecieicauaceeaiamplitudiniipulsaie(fig. 5.6). Ecuaiile de vibraie ale punctului M vor fi: ||

\| =||

\| =21 211 12 sin2 sinxTtA yxTtA y(5.45) Din compunerea vectorial a aciunii undelor rezult: 29

||

\|+ = + =22 sin cos 22 1 1 21 2 1x xt fx xA y y y(5.46) unde: f frecvena oscilaiilor; A1 amplitudinea oscilaiilorAmplitudinea oscilaiei rezultante va fi: 1 21cos 2x xA A=(5.47) Faza iniial a oscilaiei rezultante devine:

22 1x xo+ = (5.48)

Fig.5.6Suprapunerea undelor S1 S2 x x1 x2 30 Din relaia (5.47) rezult c amplitudinea micrii rezultante este funcie de diferena de drum (x2 x1). Locul geometric al punctelor din cmpul de interferen care au aceeai amplitudine de oscilaie este dat de relaia: x2 x1 = cst. (5.49) ireprezintnspaiuunhiperboloidderotaiecudou pnze ce are focarele n punctele S1 i S2, iar ca ax de simetrie, dreapta ce trece prin aceste puncte. Amplitudinea rezultant va avea valoarea maxim cnd: 1 cos1 2 =x x deci:221 2 nx x=; de unde rezult: 221 2n x x = (5.50) Amplitudinea va avea valoarea zero cnd: , 0 cos2 1=x x deci:2) 1 2 (1 2 + =nx x; rezult: 2) 1 2 (1 2+ = n x x(5.51) 31 Din relaiile (5.50) i (5.51) se observ c n urma interferrii a dou unde se obin puncte cu amplitudine maxim i puncte cu amplitudine zero. Punctelecuamplitudinemaximsenumescventreile corespundodiferendedrumegalcuunnumrparde/2,n timpcepuncteledeamplitudineminimsenumescnoduriile corespund o diferen de drum egal cu un numr impar de /2. Uncazdeosebitdeinterferenseobineprinsuprapunerea unei unde incidente cu reflectata ei. Deoareceundareflectatareaceeaifrecvencuunda direct i diferena de faz este constant n timp, rezult c cele dou unde sunt coerente pentru toate punctele aflate pe direcia de propagare. Sepresupunecreflexiasefacepeunmediucudensitate mai mare dect a celui n care are loc propagarea, fig. (5.7) unde: 0x - direcia razei incidente; AB suprafaa reflectant.Sursa primar (O) oscileaz dup legea:

TtA y 2 sin1= (5.52) n punctul (M) oscilaia va fi de forma: ||

\| =xTtA y 2 sin1 1 (5.53) Oscilaiile ajung n N se reflect i revenind n M au ecuaia: 32((

||

\| = x lTtA y22 sin1 1(5.54) unde: - diferena de faz produs n urma reflexiei. Adunnd (5.53) cu (5.54) rezult: )`((

||

\| +||

\| = + = xTt xTtA y y yl 22 sin 2 sin1 2 1 Dup transformarea sumei n produs rezult ((

||

\|||

\|+=22 sin22 cos 21l lTt xA y(5.55) Ecuaiareprezintlegeadeoscilaieapunctului(M)luat arbitrar pe dreapta ON. Fig. 5.7. Interferena undei directe cu unda reflectat O x M A B N l x 33 Seobservcoscilaiarezultantareaceeaifrecveni direcie de propagare ca i oscilaia din 0, faza fiind ns diferit. Amplitudinea oscilaiei va fi:

||

\|+=22 cos 21x lA A(5.56) i nu depinde de timp. Relaia(5.56)permitedeterminareaunghiuluidedefazaj datorat reflexiei. AvndnvederecpunctulfixNareamplitudineazero (A=0) i punnd x = l , rezult: 02cos =||

\| adic:

= Ceeacearatcreflexiaundeipeosuprafacudensitate maimaredectceaamediuluidepropagaresefacecuo ntrziere de faz egal cu fa de unda direct.Dacnecuaiaundeireflectate(5.54)seintroduce valoarea:

22 = = , se obine: 34 |||||

\|+ =222 sin1 2x lTtA y(5.57) ceea ce arat c reflexia undelor introduce fie o diferen de faz egal cu , fie o ntrziere de drum egal cu /2. Expresia(5.56)permitecalculareadistaneixlacare amplitudinea este maxim i a celei la care este zero. Punctele n care amplitudinea este maxim se numesc ventre i ele corespund condiiei: 122 cos =||

\|+ x l sau: 2222 nx ln= + rezult: n l xn2 4 + = n = 1, 2, 3 . (5.58) Pentru n = 1 se obine ventrul de ordinul 1.

41 = l x care se afl la un sfert de lungime de und la stnga fa de punctul fix N , (fig. 5.8). 35 Fig. 5.8. Formarea ventrelor i nodurilor Punctele ncareamplitudineaestenul senumescnodurii ele corespund condiiei: 022 cos =||

\|+ x l sau:( )21 222 + = +nx l De unde rezult: n l xn2 =pentru n = 0,1,2,3,.(5.59) Primulnodseobinecndn=0,adicx=l corespunznd punctului N. O N N VV 2 4 36Deci,caurmareainterfereneiundeiincidentecuunda reflectat,avndamplitudinileifrecvenaegaleiconstante, propagareafcndu-sepeaceeaidirecie,darnsensuri contrare,ianatereonouund,formatdinventreinoduri, numit und staionar. Avnd n vedere cele de mai sus, se constat c pe suprafaa pecareseproducereflexiaseformeazunnoddacmediul reflector este mai dens dect mediul de propagare. Prinreflexie,undaimodificfazacu,ntimpce elongaia i schimb semnul. Prin compunerea elongaiilor celor dou unde, rezult un nod saualtfelspus,reflexiasefacecupierderedejumtatede lungime de und. ncazulreflexieipeunmediucuodensitatemaimic, procesulfizicesteasemntor,cusinguradeosebirecla suprafaadereflexieseformeazunventru,deci=0,adic unda se reflect fr modificarea fazei. 5.3.4.Difracia undelor Lapropagarea undeloracustice nmedii neomogene are loc i fenomenul de ocolire, de ctre razele acustice, a obstacolelor de dimensiuni comparabile cu lungimea de und. Acestfenomendeocolireaobstacolelordectrerazele acustice se numete difracie. Fenomenulseexplicprinaplicareaprincipiuluilui Huygens;undaincidentajungndlamargineaobstacolului,va determina noi centre de oscilaii ce vor produce unde care se vor propagainspateleobstacolului.Graduldeptrundereal undelordincolodeobstacoldepindedecorelaiadintre dimensiunile geometrice ale corpului i lungimea de und. Cu ct 37 dimensiunilecorpuluisuntmaimicincomparaieculungimea de und, cu att mai puin se resimte influena obstacolului. 5.3.5. Fenomenul de directivitate Considerm o surs de unde a crei suprafa emitoare are forma unui dreptunghi cu laturile L i b (fig. 5.9). Presupunem c toate punctele suprafeei de emisie oscileaz, avnd aceeai faz i amplitudine. S examinm cmpul acustic produs de aceast surs ntr-un punctattdendeprtatdeemitor,ncttoaterazelecare convergspreacestpunctdindiferiteporiunialesurseipotfi considerate paralele. Fig. 5.9. Fenomenul de directivitate pentru o surs dreptunghiular FieunpunctoarecareAdincmpulacustic,aflatpe perpendiculara ridicat din centrul C al sursei i un punct A1, aflat pe direcia care formeaz unghiul cu aceast perpendicular. A A1 B1 B x O4 OO1 O2 O3 38Conformcelorconvenite,distaneledelaoricepunctal surseipnlapunctulAsuntaceleai.Deaceea,oscilaiile acustice emise de diferite puncte ale sursei vor ajunge n punctul A,nfaz.DecioscilaiilenpunctulAsevornsumaivor produce n acest punct o presiune acustic maxim. Distanele de la diferite puncte ale sursei pn la punctul A1, aa cum se vede din fig. (5.9) sunt diferite. PentrucazulconsideratdistanapentruceledourazeBi B1, difer cu valoarea : = x sin pe care o denumim diferen de drum a razelor B i B1. Deoarece,distaneledeladiferitepunctealesurseipnla punctulA1suntdiferite,undeleacusticeprodusedeaceste elemente, vor ajunge n punctul A1 cu un decalaj de faz . Datoritacestuifapt,presiuneaacusticcareseproducen diferite puncte ale cmpului este diferit i depinde de unghiul , cuprinsntrenormalalasuprafaasurseiidireciasprepunctul examinat. Sexaminmdependenadefazajului,deraportuldintre lungimea a undei i dimensiunile L i b ale sursei.

sin2 2 x= =(5.60) Diferenamaximadrumuluirazelor,carepoateapare, esteegalcudiagonala ml adreptunghiuluisuprafeeisursei emitoare i rezult: 2 2b L lm+ = 39 Aceast diferen se obine dac considerm dou puncte ale surseiO2iO3aflatepediagonal,ndireciacareformeaz unghiul = 90o, cu perpendiculara ridicat din centrul suprafeei sursei. Difereneimaximelmadrumuluirazeloricorespunde decalajul maxim al fazelor. 2 22 2 b L lm+==(5.61) Dinaceastrelaieseobservc,daclungimeaaundei este mult mai mare dect dimensiunile L i b ale suprafeei sursei de unde, mrimea a decalajului fazelor este foarte mic. Prinurmare,daclungimeaundeiacusticeestemultmai maredectdimensiunileLibalesursei,presiuneaacusticn diferitepunctealecmpuluiestepracticaceeaiiaciunea emitoruluiestenedirijat,iarcmpulacusticnjuruleieste practic omogen. Dac ns, dimensiunile L i b ale sursei sunt mai mici dect lungimea a undei, defazajul devine mai mare i orice abatere, chiarmic,depeperpendicularridicatpesuprafaasursei produceoscderensemnatapresiuniiacusticerezultanten direciadat.nacestcaz,presiuneaacusticesterepartizat neuniformnspaiuiaremaximulprincipalndirecia perpendicular pe suprafaa de emisie. La o abatere de la aceast direcie, presiunea acustic scade, cu att mai mult cu ct este mai mare unghiul . Pemsuracreteriicontinuiaunghiului,presiunea acustic crete din nou pn la o valoare maxim anumit i apoi scade pn la minim, dnd natere la maxime suplimentare. 40Dinceleartatemaisus,rezultcdac,dimensiunile suprafeei sursei de emisie sunt mai mari dect lungimea de und, aciunea sursei devine dirijat (fig. 5.10). Aceastdiagramreprezintrelaiadintremrimeafizic examinat(deplasarea,presiuneaacusticsauenergiaundei)i direcia n care acioneaz.

Fig. 5.10.Diagrama de directivitate VariaiarelativamrimiifiziceexaminateA (presiuneaacustic,energiaundei)nfunciedeunghiul, cuprins ntre direcia OAm a maximului principal i orice direcie n care acioneaz aceast mrime se determin cu relaia: Am B A OO1 41 RAAAA Am mm = == 1 1 (5.62) unde: AmvaloareamrimiifiziceAndireciamaximului principal. A-valoareamrimiifiziceAndireciacareformeaz unghiul cu axa OB R-raportuldintreAiAm ,numiticaracteristicde directivitate. Pentrudeterminareacaracteristiciidedirectivitatesevor adunaoscilaiilecaresosescdeladiferitepunctealesuprafeei sursei de oscilaie. Oastfeldensumareducelaointegrarepesuprafaasursei fig. 5.11.

Fig. 5.11. Integrarea oscilaiilor pe suprafaa sursei C ds 42De la suprafaa elementar ds, n punctul examinat, ajunge o oscilaie a crei vector este de forma:

ds e dAjk = (5.63) unde: 2= k = diferenele de drumparcurse de raze (variaia relativ a mrimii fizice considerate) Vectorul oscilaiei rezultante va fi: =sjkds e A0(5.64) Diferenele de drum parcurse de raze pe direcia normal la suprafa sunt egale cu zero, iar rezultanta amplitudinii oscilaiei are valoarea maxim: Am = S unde; S suprafaa de emisie. Caracteristicilededirectivitatesedetermincuajutorul raportului: mAAR= ; Decicaracteristicadedirectivitatepentruoricetipde suprafa de emisie se calculeaz cu formula: ds eSRSjk =01(5.65) 43 5.3.5.1. Emitor de form dreptunghiular Sexaminmcaracteristicilededirectivitatentr-unplan paralelcuunadinlaturi,deexempluculaturab,laturaLo considerm egal cu unitatea. ConsidermunsistemdecoordonaterectangularxOy,cu axaxparalelculaturabiaraxayparalelculaturaLi considermorigineacoordonatelornmijloculsuprafeei,n punctul O. fig. (5.12) Lum ca suprafa elementar: ds = 1dx = dx Diferena de drum parcurs de raze este: = x sin (5.66) Fig. 5.12. Emitor de form dreptunghiular y xdx z O x 44Deci caracteristica de directivitate conform ecuaiei (5.65) va fi:

dx ebRbbjKx =22sin1(5.67) integrnd se obine: sin2sin2sin1sin122sinkjkbb jkebRbbjkx||

\| = = nlocuind 2= k pentru modulul R obinem:

sinsin sinbbR||

\|=(5.68) Notnd: sinbz =(5.69) rezult: zzRsin=(5.70) Graficul funciei (5.70) este prezentat n figura (5.13) Caracteristicadedirectivitateaemitoruluideform dreptunghiularareunmaximprincipalictevasecundare. 45 Mrimileacestormaximesecundareconstituie,nmod corespunztor:0,22; 0,13; 0,09; din maximul principal. Maximelesecundare,aacumseconstat,scadrapiddin punct de vedere al mrimii. Unghiuldedirectivitatealmaximuluidebazsepoate determina,considerndnexpresia(5.68)peR=0i nlocuindu-l pe cu 2, obinndu-se:

2 2sin =(5.71) Fig. 5.13. Caracteristica de directivitate a emitorului dreptunghiular 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 R z d 1234 5 10 46ntabelul1suntdatevalorileunghiurilor 2pentrudiverse valori ale lui bde la 1 la 10.

Tabelul 5.1 b 12345678910 2[ ]0 903019,514,511,59,5876,56 [ ]01474,53,532,521,751,51,5 nmodanalogmrimeaunghiuluidedirectivitatenplanul paralel cu latura h, are valoarea:

hh =2sin(5.72) Acuitatea maximului sistemului de form dreptunghiular se afl cu expresiile. bb = sin; (5.73)

n care: = 1-R 47 Aproximnd : = 0,1rezult:

b sin 25 , 0 sin = (5.74) 2sin 25 , 0 sin = (5.75) Din expresia(5.74) nlocuind sin = n radiani pentru unghiuri mici i transformnd n grade, se obine: b 140= (5.76) Valorile unghiurilor la diverse valori ale lui b sunt date n tabelul 5.1. Pentruemitorul de formcircularecuaiacaracteristicilor de directivitate este: sinsin 21ddIR||

\|= (5.77) unde: I1 funcia Bessel de gradul i de ordinul 1 d -diametrul emitorului. Se noteaz:48 sin dz =(5.78) de unde:

zz IR) ( 21= (5.79) Graficul funciei (5.79) este prezentat n fig. (5.14) unde este trecutiscaravalorilor dzn=carepermitdeterminarea caracteristicii de directivitate pentru un raportul datd/. Fig. 5.14. Caracteristica de directivitate a emitorului circular 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 R z d 1234 21086412 49 Dinfigurrezultcprimulmaximsecundaresteegalcu 13% din maximul principal, iar cel de al doilea i cel de al treilea sunt egale cu 6% respectiv 3%. Pentru aprecierea proprietilor de directivitate se opereaz cu ajutorul urmtorilor factori: -acuitatea aciunii direcionale ||

\|2 -acuitatea maximului principal (2) Prinacuitateaaciuniidirecionalesenelege unghiuldintredoutangentecetrecprinpunctelede presiune nul ale maximului principal (fig. 5.15). Fig. 5.15. Acuitatea aciunii direcionale P OO1 50Prin acuitatea maximului principal se nelege unghiul mnim nlimitelecruiareducereacaracteristicilordedirectivitateeste foarte mic. Acuitatea aciunii direcionale se determin punnd condiia: R = 0 i 2 = Pentrusurscusuprafaadreptunghiularunghiulde directivitate al maximului de baz va fi: 02sin sin =||

\|b deci:Kb=2sin ;K = 1, 2, 3, . bK =2sinpentru K = 1

b =2sin(5.80) Acuitateamaximuluiprincipalpentrusursecusuprafaa dreptunghiular se afl cu expresia:

bb = sin(5.81) unde: =1R 51 Pentrusursecusuprafaacircular,unghiuldedirectivitate se determin cu formula: d 21 , 12sin =(5.82) Valorileunghiurilor 2ladiferite dsuntmenionaten tabelul 5.2. Tabelul 5.2 d 12345678910 [ ]02 -3723,517,51411,5108,57,57 [ ]0 16,585,5432,52,521,51,5 Iar acuitatea maximului se determin cu expresia: d = sin(5.83) Substituindconformrelaiei(5.82), d d sin 2 , 1 =;n formula (5.83) se obine:

2sin sin = (5.84) 52 Pentru = 0,1 rezult: d 285 , 0 sin = (5.85) sau: 2sin 32 , 0 sin = (5.86) Din expresia (5.86), nlocuind sin , n radiani pentru unghiuri mici i transformnd n grade, se obine:

d 160= (5.87) Valorileunghiurilor0pentru=0,1ladiferitevaloriale lui d sunt date n tabelul 5.2. nhidroacusticpentruapreciereaproprietilorde directivitate a emitoarelor, se folosete noiunea de coeficient al aciunii direcionate sau coeficient de concentraie (). Acestastabiletelegturadintresuprafaaemitorului acustic i lungimea de und i se exprim prin relaia:

24S=pentru > =

Undelerefractndu-sesprestraturilecumaimicvitez,se abatsprefundulmrii,descriindocurbcuconcavitateanjosfig. 5.17. Aiciopartedinenergiaundeloresteabsorbit,iaroparte reflectat.Undareflectatsepropagsprestraturiledela suprafa,iardacgradientuldetemperaturestemic,ajunge pn la suprafaa apei i dup ce s-a reflectat total, se propag din nou spre fund. (curba 1). Dac ns gradientul de temperatur este 62mare, refracia total se va produce nainte ca unda s ajung pn la suprafaa apei (curba 2).Deoarece pierderile de energie datorate vscozitii sunt foarte mici, fenomenul poate s se repete pn la amortizarea complet a undei. Fig. 5.17 Fenomenul curbrii undelor vara Iarnafig.(5.18),naturafenomenuluisemodific.Straturile inferioarealeapeisuntmaicaldedectcelesuperioareide aceea, undele, refractndu-se se deprteaz de normal, descriind o curb cu concavitatea n jos. Conform legii a doua a refraciei: Bm)frecvenaoscilaiilorbareivafiaceeaicu frecvenacmpuluimagneticalternativ.Variaiala dimensiunilorgeometricealebareidepindedevaloarea magnetostriciuniimaterialuluialesideinduciamagneticaa cum reiese din expresia (5.107). Pentru ferite s-a determinat experimental relaia:

BE ll =0(5.117) n care: - constanta de magnetostriciune; E modulul de elasticitate. E = c2

unde: - densitatea materialului magnetic; c viteza de propagare a undelor elastice n materialul magnetic; Pentru ferite: = 5,2 g/cm3; c = 5,54105 cm/s; = 104 dyne/cm2Gs Dinfig.5.26seobservclacmpurimagneticeslabe, magnetostriciuneaferitei,cretenvaloareabsolutlacreterea intensitiicmpuluimagnetic(areodependencvasiliniar) apoiaceastcreterescadelacmpurimagneticedeintensitate 77 suficientdemare,magnetostriciuneaferiteiatingevaloarea maxim i mai departe nu mai crete. Valoareamaximalungimiirelativepentruuntipde materialmagnetostrictiv,senumetemagnetostriciunela saturaie, care depinde de material. Pentruferitemagnetostriciuneadesaturaieeste2510-6cm iar pentru nichel pur valoarea 3510-6cm. Magnetostriciuneadesaturaieaferitelorareloclao intensitate a cmpului magnetic H=(400800)Oe. Valoareamagnetostriciuniimaidepindedeprelucrarea materialului i de prezena tensionrilor elastice. Fenomenul invers de magnetostriciune Experimentals-aconstatatcdacobardinmaterial feromagneticestedeformatsubaciuneaunorforeexterne, starea ei magnetic se modific (fig.5.27), fapt pus n eviden cu un instrument de msur (microampermetru), pe timpul ct starea magneticsemodific,aculdeviazpunndneviden fenomenul. Fig. 5.27 Fenomenul de magnetostriciune invers Br i F F 78 Dacmaterialulmagneticdispunedemagnetizaie permanent,intensitateacmpuluimagneticsevamodificacu mrimea (H) dat de relaia:

olla H= (5.118) unde: a-constantmagnetostrictivnprezenacmpului magnetic continuu de magnetizare, care depinde attde material ctidevaloareainducieicmpuluimagneticpermanent(fig. 5.28)SemnulvariaieiluiHdepindedesensuldeformaiei. Dacbaranemagnetizatintrodusntr-uncmpmagnetic constantsescurteaz,laaceeaibarmagnetizatsubaciunea unor fore de compresie intensitatea cmpului magnetic va crete.

Fig. 5.28 Dependena constantei magnetostrictive fa de cmpul magnetic permanent a a1 Hp[Oe] 79 Deci dac asupra unei bare polarizat magnetic cade o und acustic(fig.5.29), bara sub presiuneaacustic alternativ ncepe ssedeformezecuofrecvenegalcufrecvenaoscilaiilor acustice.Drepturmareinduciacmpuluimagneticalbarei ncepedeasemeneassemodificecuofrecvenegalcu frecvena undei acustice. Fig. 5.28. Fenomenul invers de magnetostriciune Dac se introduce n cmpul magnetic al barei un conductor, conformlegiiinducieielectromagnetice,nconductorseva induceotensiuneelectromotoare(e),cepoatefiutilizatca semnal pentru recepia undei acustice. = =dtBdtde (5.119) Reversibilitateafenomenuluidemagnetostriciunefaceca traductoarele de emisie i de recepie s fie identice din punct de i Br 80vedereconstructivichiarssefoloseascacelaitraductoratt pentru emisie ct i pentru recepie. Punctulstaticdefuncionaresealegenfunciedevaloarea cmpuluimagneticpermanentidetipulvibratorului(emitor, receptor, emitor-receptor). Funcionareaemitoruluimagnetostrictivfrcmp magneticpermanent(Hp=o)esteceamaieficacenzona saturaiei magnetostrictive (l/l)s. AmplitudineaHmsealegedepegraficull/l=f(H)nlocul de ndoire al curbei nainte de saturaie (fig.5.30) Fig. 5.30 Punctul de funcionare la vibratorul de emisie fr cmp magnetic permanent InduciamagneticalternativsealegedepegraficulB=f (H) a materialului magnetostrictiv respectiv. 610 ll 200400600800 H[Oe] 0 5 10 15 20 25 81 Pentru traductoare emitoare receptoare, punctul static de funcionaresealegenzonamijlocie,npunctul(M),acurbei (fig.5.31) Fig. 5.31 Alegerea punctului de funcionare la vibratoarele emitoare - receptoare De pe graficul l/l = f(H) se alege intensitatea Ht n locul de ndoire al curbei nainte de saturaie. Sealegevaloareaintensitiicmpuluimagneticpermanent astfel. t pH H21= (5.120) Pentru ferite de Ni, Ht = 200Oe, rezult c Hp = 100Oe. Amplitudineacmpuluimagneticalternativseiamaimic sau cel mult egal cu valoarea cmpului permanent:

Hm Hp(5.121) 610 ll 100180260340H[Oe]0 510 15 20 25 82 Inducia magnetic alternativ se alege astfel nct suprapus pestecomponentacontinuBp,induciamagnetictotalBts corespund la intensitatea cmpului Hm, (fig.5.32) astfel nct: Ht Hp = Hm(5.122) Fig.5.32 Alegerea induciei magnetice Efectuldirectdemagnetostriciunestlabazaproducerii ultrasunetelor,iarcelinverslarecepiaultrasunetelor. Emitoareleireceptoareledeultrasunetesenumescnmod curent vibratoare. 100175 Hp Ht Bt 3800 Bp 3500 H[Oe] B[Gs] 83 6.SONDA ULTRASON 6.1. Principiul msurrii adncimilor cu sonda ultrason Msurareaadncimilorcusondaultrasonsebazeazpe determinarea intervalului de timp necesar undelor acustice pentru a parcurge spaiul dintre emitor , fundul mrii i receptor. Seconsideremitorulireceptoruldeundeultrason (fig.6.1.) dispuse pe carena navei la distana L unul de altul. Fig. 6.1. Principiul msurrii adncimilor H1 H L ER A h 84Se noteaz: H1 -adncimea apei de la linia de plutire; H -adncimea apei sub vibratori; h-adncimeavibratorilorsubliniadeplutire (pescajul navei). Deci adncimea apei va fi: H1 = H + h(6.1.) Valoarea lui h este cunoscut. Din triunghiul ABD rezult: ( )222||

\| =LER H(6.2) EAeste jumtate din distana parcurs de oscilaii cu viteza c n timpul t.

2t cEA=(6.3) t timpul scurs ntre momentul emisiei i momentul recepiei; L - distana dintre vibratori; c viteza ultrasunetelor n apa de mare. Rezult: 2 22121||

\|||

\| = L t c H(6.4) sau: 85

2 2 221L t c H =(6.5) Dardistanadintrevibratorifiindmicnraportcu adncimea msurat (L 1MHz). Divizoareledefrecvendividfrecvenageneratde oscilator pn la valoarea corespunztoare, funcie de precizia de msurareaadncimii.Astfeltiindcvitezadepropagarea ultrasunetelornapademareestenmedie1500m/s,pentru msurareaadncimiicuopreciziede1m,frecvenaoscilaiilor trebuiesfie750Hz,avndnvederecultrasuneteleparcurg adncimeadusntors,adiclafiecaremetrudeadncimes-i corespund un impuls, conform relaiei:

Hzmsmcf 75021500= = = Dac dorim s cretem precizia de afiare a adncimii mrim frecvena oscilaiilor:

Hzmsmf 75002 , 01500= = 108Formatorul de impulsuri are rolul de a transforma oscilaiile sinusoidale n impulsuri. Circuitulpoartprevzutcudousaumaimulteintrri, permitetrecereaimpulsurilorsprenumrtorulzecimalnumain perioada dintre momentele emisiei i recepiei. Bloculdecomandareroluldeacomandadeschiderea circuituluipoartpentrutrecereaimpulsurilorsprenumrtor,n acelaitimpdeacomandageneratoruldeimpulsuri,iarn momentulrecepieideablocacircuitulpoartpentruoprirea numrrii.Bazadetimpestefunciedegamadeadncime,este formatdintimpulnecesarultrasunetelorsparcurgadncimea maxim plus timpul necesar afirii adncimii. Numrtorulzecimalcuprinderegistredememorie, decodificatoare i etajele de comand ale afiajului. Bloculdeafiareindicadncimeamsuratcuprecizia corespunztoare gamei de adncimi. 6.2.3. nregistratoare de adncime nregistratoruldeadncimefolosetelaimprimarea automat a ecoului de adncime( banc de pete ) pe o band de hrtiespecialnumitecogramipentruacomanda generatorului de impulsuri.nprincipiu,nregistrareaserealizeazcuajutorulunei peniecesedeplaseazcontinuuntr-unsens,ntremomentul emisieiimomentulrecepieiiprinmicareaecogrameisubun unghide900fadedireciadedeplasareapenieimarcnd timpul.nfig.6.12suntreprezentate:1-sensuldedeplasareal echogramei;2-placmetalic;3-echogram;4-sensulde deplasarealpeniei;5-riglmetalic;6-peniadenregistrare;7-rol; 8-curea de antrenare.109 Fig. 6.12Sensurile de deplasare ale peniei i ecogramei nprincipiu,sefolosesctreiprocedeedenregistrare automataadncimilor,electromecanic,electrochimici electrotermic Procedeul electromecanic Foloseteohrtiecolorata,deobiceinrou,acoperitpe una din fee cu un strat de parafin. Fixarea valorilor se realizeaz cu ajutorul unei penie care n momentul emisiei se afl n partea stngaecogramei.Odatcucomandaemisiei,seformeazun impuls,careseaplicaunuireleuelectromagneticcevaatrage penia spre banda de hrtie, zgriind stratul de cear i fcnd s apar culoarea roie a hrtiei. 12 67 8 34 5 110Dinmomentulemisieipannmomentulrecepiei ecouluiultrasonic,peniasedeplaseazcuvitezconstant transversal pe ecogram . n momentul sosirii ecoului, la releu se aplica din nou impulsulelectric,peniaesteatrassprebandzgriinddinnou stratuldecear.ntreprimahauriadoua,secuprindelao scar oarecare adncimea msurat. Procedeul electrochimic,Sebazeazpefolosireaelectrolizeisoluieideamidoni ioduriidepotasiu,cucareesteimpregnatbanda.Peniase deplaseazcuovitezaconstantatransversalpebanda.n momentulemisieiirecepieilapeniseaplicunimpuls electricceproduceunarc,subaciuneacruiasedescompune soluia de iodura de potasiu din care se separ iodul, ce coloreaz banda alb n culoare cafenie nchis. Procedeul electrotermic,Se bazeaz pe nregistrarea pe o banda special, compus din trei straturi: -stratul inferior format dintr-o pelicul de aluminiu; -stratuldemijloc(stratulsuport)formatdinhrtie impregnat cu grafit; - stratul superior din sulfat sau oxid de plumb. Transversalpeecogramsedeplaseazpeniacareapas continuu pe ea. n momentele emisiei i recepiei prin peni trece un curent electric ce produce un arc, care descompune sulfatul de plumb i atunci pe fondul cenuiu deschis al benzii apare o haur de culoare cenuie nchis.111 S-au realizat dispozitive de nscriere la care penia execut o micarecircularidispozitivelacarepeniaexecutomicare liniar: nregistratoare cu nscriere circular nscriereacircularseobineprindeplasareapenieipeun cercalcruicentrucorespundecucentruldisculuipecareeste fixat penia i cu raza egal cu braul peniei (fig.6.13) nregistratorulsecompunedinurmtoareleelemente:1- electromotorul de acionare; 2 - regulatorul automat de turaii; 3 -reductoruldeturaii;4-dispozitivuldecomandaemisiei;5- dispozitivuldenscriere;6-mecanismuldeantrenarea ecogramei; A - amplificator; G.I. generator de impulsuri.

Fig.6.13 nregistratorul de adncime cu nscriere circular Electromotorul de acionare are rolul de a imprima peniei i ecogramei o micare constant. A GI 1 2 3 4 5 6 112Regulatorul automat de turaii , regleaz automat turaia motoruluilaovaloareconstantcorespunztoarescalei respective de nregistrare. Reductoruldeturaiireduceturaiaelectromotorului corespunztor scalei i transmite micarea la peni i ecogram. Dispozitivuldenscriere,imprimmicarea corespunztoare peniei deasupra ecogramei i aplic impulsul de nregistrare acesteia. Mecanismuldeantrenarealecogrameiareroluldea imprimabenziidehrtieomicareconstantantimp,nsens perpendicular pe direcia de deplasare a peniei. Dispozitivul de nscriere cu tamburMicarea liniara a peniei se realizeaz cu un tambur acoperit cuunmaterializolantdinpunctdevedereelectricpecarese gseteospirelicoidalcareparcurgeodatcircumferina tamburului, avnd capetele pe aceiai generatoare ( fig. 6.14 ).Tamburuldenscriereiecogramasuntacionatedectre motorul de acionare(2), comanda emisiei este dat de camele(3), prin acionarea contactelor de emisie(11) ce se gsesc n circuitul generatoruluideimpulsuri(4).Ecogramaesteantrenatprin intermediul tamburelor de antrenare(10) i se strnge pe tamburul colector(9),ecogramanenregistratestedispuspetamburul debitor(6).Semnalulderecepieesteamplificatde amplificatorul(1). Pestetambur(8)segseteorigladenregistraredinmetal (7), ce constituie penia de nregistrare, la care se aplica semnalul denscriere,.Ecograma(5)treceprintretamburirigl,astfelc noricemomentexistunsingurpunctdecontactntrespir, ecogram i rigl, punctul de tangen. 113 Prinrotireatamburuluintimpuluneirotaiicomplete, punctul de tangen , se deplaseaz de la un capt la altul al riglei, marcnd scurgerea timpului. Fig. 6.12nregistrator cu tambur cu spir Dispozitivul de nscriere cu band fr sfrit nacestcazmicarealiniarapenieiesterealizatcu ajutoruluneicureledispuspedouroledincareunaeste antrenoare(fig.6.13),decureaestefixatpenia.Penia(5)se deplaseaznfaaecogramei(1)icalccuuncaptperigla metalic(2)icucellaltpeecogramcaresegsetencontact cu placa metalic(8) legat de mas. 1 23 11 4 5 678 9 10 114 Fig. 6.13nregistrator cu band nmomentulcndunadintrepenie(5)intrpeecogram, unuldinmagneii(4)acioneazmicrocontactul(9)dincircuitul generatoruluideimpulsuri(6)isecomandemisia,nacelai timp la peni se aplic un impuls electric pentru nscrierea liniei zero.Ecoulreflectatdefundulmrii,dupceesteamplificatse aplic la penia de nregistrare, astfel se nscrie un nou punct, care reprezintfundulmrii.La oscar oarecarentrelinia dezero i linia ce reprezint fundul se citete adncimea. 12 3 10 4 9 5 6 8 7 115 6.2.4.Amplificatoare Snt circuite electronice folosite la amplificarea semnalului recepionat,delaovaloaredatdetraductorulultrasonic,la valoareanecesarindicatoruluisaunregistratoruluideadncime pentru marcarea semnalului de adncime. 6.2.4.1.Parametrii amplificatoarelor a) Parametrii de intrare Tensiuneadeintrare-reprezintdomeniuldevaloripe carelepotluatensiuniledeintrareui+iui-naafelca amplificatorul s nu se distrug. Impedanadeintrare-reprezintncrcareapecareo produce intrarea amplificatorului asupra sursei de semnal. b)Parametrii de ieire Tensiunea de ieire - domeniul de valori pe care le poate lua tensiunea de ieire. Curentuldeieiredomeniuldevaloripecarelepoate avea curentul de ieire. Impedanadeieirevaloareaimpedaneiinterne echivalente. Putereamaximalaieirevaloareamaximaaputeriice poatefidebitatntr-osarcinconectatlaieirea amplificatorului. c)Parametrii de transfer Factorul de amplificare raportul dintre variaia de semnal produslaieireivariaiadesemnalaplicatlaintrare,definit pentru amplificatoarele liniare. 116Indiferentdetipulamplificatoruluisedistingtreifactoride amplificare:-de tensiune uA 12UUe A Aju u= =(6.34) -de curentiA 12IIe A Aji i= =(6.35) -de puterepA

121 1 12 2 212coscoscoscosi u pA AI UI UPPA == = (6.36) unde:

1 1, I U-reprezinttensiunea,respectivcurentulde intrare;

2 2, I U-reprezinttensiunea,respectivcurentulde ieire; 1 - este defazajul dintre 1U i 1I; 2 - este defazajul dintre 2U i 2I ; n practic se folosete pentru msurarea raportului de puteri notaia n decibeli(dB ) uniti logaritmice. Bel reprezint logaritmul zecimal al raportuluiP2 /P1 117 |||

\|=|||

\|1212logPPPPB (6.37) Deoarece belul este o unitate mare, n practica se folosete o unitate de 10 ori mai mica decibelul dB.

|||

\|=|||

\|1212log 10PPPPdB (6.38) Avnd n vedere relaiile: int1211cosZUP=,ieZUP2222cos=,(6.39) undeZint,Ziereprezintmoduleleimpedanelordeintrare, respectiv ieire, se poate scrie: 12 int1212coscoslog log 10 log 20+ + =|||

\|iedBZZUUPP(6.40) Caracteristica de transferReprezint corespondena dintre tensiunea de ieire i cea de intrare, util n cazul amplificatoarelor neliniare, cnd factorul de amplificareestedependentdetensiuneadeintrareicaatarenu maipoateconstituiunparametrucaresdescrieamplificatorul. Pentruunastfeldeamplificator,factoruldeamplificarepoatefi definitnumaintr-unpunctdefuncionare,sauntr-ozona limitat n jurul acestuia (fig.6.14).118 Fig.6.14 Caracteristica tensiune de ieire tensiune de intrare Caracteristicadeamplitudineidefazvariaiacu frecvenaamodululuifactoruluideamplificaresautransferi respectiv variaia argumentului acestuia cu frecvena (fig.6.15 ). Fig. 6.15 Caracteristica de amplitudine a amplificatorului uies uint A A0 20A 0 fmin fmed fma119 Factorul de distorsiuniRaportuldintreputereaarmonicilorlaieirea amplificatoruluiiputereafundamentalei(asemnaluluide frecvenegalcuceaaplicatlaintrare),exprimatnprocente. Dac, de exemplu, la intrare se aplic semnalul ui(t) = Uisinti la ieire rezult: ... 3 sin 2 sin sin ) (' '0'0 0 0+ + + = t U t U t U t u factorul de distorsiuni va fi: 100...02 ' '02 '0UU U + += [%](6.41) Trebuiemenionatcfactoruldedistorsiuniestefuncienu numai de puterea la ieire, ci i de frecven.

6.2.4.2. Amplificatoare de semnal mic a)Cu un singur etaj Peacesteamplificatoare(fig.6.16)variaiiledetensiunei curent produse de semnalul de intrare n dispozitivele active sunt mici n comparaie cu valorile tensiunilor i curenilor din punctul staticdefuncionare,decipracticdispozitiveleactivealeacestor amplificatoare lucreaz n regim liniar. Rezistenele R1 , R2 , R3 , au rolul de a polariza transistorul , R4participalapolarizareatransistoruluiimpreuncuRS,constituierezistenadesarcin.Semnalulutil(ua)seculegela bornele rezistenei RS. 120R1 R4 EC u1 C1 R2 R3 C3 C2 RS Tz Fig. 6.16Amplificator cu un etaj CondensatorulC1permitecuplareasurseidesemnalcu intrareainversoareaetajuluideamplificare(bazatransistorului) naafelnctsnusemodificepotenialulcontinuualbazei. CondensatorulC2conecteazintrareaneinversoareaetajuluide amplificare(emitorultransistorului)lamas.nacestfel,acest etajdeamplificarerealizeazoamplificarenegativ,adico amplificarecuoinversaredefazasemnaluluiaplicatlaintrare. CondensatorulC3 asigurosepararegalvanicntreRSi colectorul transistorului. Altedouetajedeamplificarerealizatecuuntransistor bipolar sunt reprezentate n fig 6.17 Schemadinfig.6.17.areprezintunamplificator neinversor, ntruct condensatorul C2 pune la mas intrarea inversoare, etajul se mai numete cu baz comun. 121 ui C1 R1 R2 Tz R3 C2 R4 ue ui C1 R1 R2 R3 EC ue Tz

Fig. 6.17 Etaje amplificare cu transistoare bipolare Etajuldinfig.6.17.bestecucolectorcomun(lamas),la acestetajamplificareadetensiuneestesubunitar,darfoarte apropiatdeunitate.Acestetajrealizeazoimportant amplificarencurentioimpedandeintrarefoartemare,este cunoscut sub denumirea de repetor pe emitor.

b) Cu mai multe etaje Circuitulconinetreietajedeamplificareseparategalvanic cuajutorulcondensatoarelorC3siC5, iarC1 siC6asigura separarea sursei si a rezistenei de sarcin .Condensatoarele C2 si C4decupleazemitoriitransistoarelorT1 siT2.Ultimuletajeste unrepetorpeemitor,realizndoadaptarentrerezistenade sarcindevaloaresczutRSsiieireaetajuluiIIal amplificatorului. ConectareadirectaarezisteneiRSncolectorulluiT2arfi dus la scderea substaniala a amplificrii acestui etaj. Conectarea prinintermediultransistoruluiT3,repetorpeemitorcareareo impedandeintraremare,ducelamrireaamplificriirealizate de etajul II si deci la mrirea amplificrii ntregului montaj. 122Rb1Rc +Ec Cb C1 C Rb2 Re Tz Cc L L1 Ce

Fig 6.17Amplificator cu mai multe etaje 6.2.4.3 Amplificatoare selective Circuiteleacordateaufrecvenaderezonanegalacu frecvenadefuncionareasondei.Elenupermitstreacdect semnalul util , au banda de trecere cuprins ntre 10001500 Hz. n ( fig. 6.17 ) se prezint schema de principiu a unui amplificator selectiv echipat cu transistoare bipolare Fig. 6.17Amplificator acordat ui R1 R2 C1 R3 R4 C2 T1 R5 C3 R6 R7 R8 C4 C5 R9 R10 R11 C6 EC ue RS T2 T3 123 CircuituloscilantLS ,CSesteacordatpefrecventaundelor ultrasonic,sarcinesteconstituitadincircuituloscilantL,C acordat pe aceeai frecventa . 6.2.4.4.Amplificatoare de putere Unamplificatordeputereconinecelpuintreietaje,cu urmtoarele funciuni: Etajul de comand (driver) a etajului final, avnd rolul de aasigurasemnalulpentrucomandatransistoarelordinetajele finale. Acestea pot necesita semnale de comand n antifaz; Etajuldeintrarealamplificatorului,careasigur amplificarea tensiunii de intrare pn la valoarea necesar pentru intrarea etajului driver; Etajulfinal,carerealizeazceamaimarepartea amplificrii n putere. La sondele ultrason amplificatoarele finale sunt proiectate s lucrezenregimliniariseutilizeazetajedeamplificareclas A, clas B i clas AB.Cuplajuldintresarcin(vibrator)itransistoareledinetajul final este realizat de regul n dou moduri: -cutransformator;carerealizeazoseparare galvanicntrevibratoriamplificator,asigurndn acelaitimpioadaptareaimpedaneivibratoruluicu impedanadeieireaamplificatorului,printr-oalegere judicioas a raportului de transformare; -cucondensator;acestcuplajareavantajulc nlturcomponentacontinudetensiunecarepoate aprea la ieirea amplificatorului. 124C R1 N1 N2 EC R2 R3 ui/2 ui/2 C1 C2 R1 R1 R2 R2 T1 T2 n1 n1 n2 RS EC Etajul final clas ASchema de principiu este reprezentat n fig.6.18: Fig. 6.18 Amplificator clas A Etaj final clas A n contratimp Seobineprinconectareaadoutransistoarenparalelpe aceeainfurareatransformatoruluisaupenfurridiferite ceeaceduceladublareaputeriiutilecepoatefidebitatpe sarcin fig. (6.19). Fig.6.19 Amplificator clas A n contratimp 125 Principiuldelucrualacestuicircuit,tipicpentrutoate etajelefinalencontratimp,constnfuncionareanopoziiede fazacelordoutransistoare.Acestlucrunseamncatunci cndcurentuldecolectoraltransistoruluiT1crete,curentulde colectoralluiT2vatrebuisscadiinversnsemiperioada urmtoare.Caurmareindiferentdesemiperioad,puterean sarcinestedatprincretereacurentuluidecolectoraunui transistoriscdereacurentuluiceluilalt,ceeaceimplico simetrieacomportriiamplificatoruluinraportcuceledou semialternanealesemnaluluideintrare,simetriecarenuse obine la simpla conectare n paralel a celor dou transistoare.Comandanantifazdatdesemnaluldeintrareproduce variaiinantifazalecurenilordecolector.Sensuldecuplarea nfurrilor transformatorului face ca n sarcin cele dou variaii de curent s se nsumeze.

Etaj final clas B n contratimp Schema unui etaj final clas B este identic cu cea din figura 6.19.RezisteneleR1,R2,R3sealegastfelnctcurentulde repaus(nabsena semnalului deintrare) printransistoareleT1i T2sfiemicdartotuidiferitdezero.Aceastafacecapeo anumitduratdetimplaschimbareaconducieitransistoarelor, acesteasconducsimultanavndvariaiidecurentnsens invers, astfel c eventualele distorsiuni ce ar aprea la jonciunea celor dou alternane sunt mai reduse. Un alt mod de a realiza etaje de ieire clas B n contratimp este utilizarea a dou transistoare de putere conectate n serie fig. (6.20). Transistoarele T1 i T2 sunt conectate n serie fa de sursa 126dealimentare,sarcinaRsfiindcuplatprincondensatorulC pentru eliminarea componentei continue.

Fig.6.20 Etaje finale contratimp clas B fr transformator de cuplaj nmontajuldinfig.6.20asefoloseteosingursursde alimentare,sarcinaRsfiindcuplatprincondensatorulCpentru eliminareacomponenteicontinue.nfig.7.20butilizareaadou sursedetensiuneelimincondensatorulC,darsurseletrebuie separate galvanic. Conecsiunea din fig.720c este mai rar utilizat deoarececeledoutransistoare,prinmoduldecuplarenecesit tensiuni de comand inegale. Etaje de comand (driver) a etajelor finale Etajeledecomandtrebuiesdebitezesuficientputere pentru a ataca intrarea etajelor finale. ncazulutilizriiunuietajfinalcutransistoare complementare,etajuldecomandtrebuiesfurnizezelaieire EcEc Ec T1T1 T1 T2 T2 T2 C RS Rs Rs E ui/2 ui/2 ui/2 ui/2 ui/2 ui/2 127 T Ec EcEc u1 u2 u2 T T1T2 ui uiC C C R C R R u1 u2 ui R unsingursemnaldecomand,careseaplicsimultanpecele dou baze ale transistoarelor finale. ncazulcndetajulfinalesterealizatcutransistoarede acelaitip,semnalelecaretrebuieaplicatepebazelecelordou transistoare vor fi defazate cu 1800 (n antifaz), pentru a asigura conducia alternant a transistoarelor finale. Aceste semnale pot fi obinute cu scheme de tipul celor prezentate n fig.(6.21). a)b) c) Fig.6.21 Etaje de amplificare de comand 6.2.4.5 Amplificatoare cu reacie

Reacia consta n preluarea unei pari din semnalul de ieire alamplificatoruluiiaplicareaacestuialaintrare.Decisemnalul care se aplic la intrarea amplificatorului , constituie o sum ntre semnalulgeneratdesursadesemnaliceladuspecaleade reacie.(fig. 6.22) Mrimiledeintrareiieiresuntreprezentatencomplex, analiza fcndu-se n regim permanent sinusoidal. u1 128Reeaua de reacie furnizeaz la ieirea sa, conectat la borna minusacomparatorului,oparte asemnalului eX delaieirea amplificatorului.

rx Fig. 6.22 Schema bloc a unui amplificator cu reacie. Semnalul de intrare n amplificator se poate scrie: e iX X X =(6.42) Semnalul la ieire va fi:

( )e i eX X a X a X = =, (6.43) unde: a - factorul de amplificare al circuitului fr reacie. Din relaia (6.43) se poate scrie:

i eXaaX +=1(6.44) C Amplificator a Reea reacie ix +x ex _ 129 Dacseconsideracansamblulamplificatorreacie constituie un nou amplificator , se poate scrie factorul de transfer al acestuia .

+= =aaXXAie1 (6.45) Dac amplificarea circuitului fr reacieaeste suficient de mare, semnalul de eroare X(t) de la intrarea amplificatorului va fi mic,astfelcpracticsemnaluladusprinreeauadereacieva tinde s egaleze semnalul de la intrare. Ca urmare: a

rezult c:

0 e iX X deci:

1= A ( 6.46) Factoruldeamplificareglobalalcircuituluiesteinvers factorului de atenuare al reelei de reacie. ntruct reeaua de reacie are o atenuare precis, factorul de amplificareglobalvafiielfoarteprecisinudepindede amplificareacircuituluiiniial,respectndcondiiacaa sfie foarte mare. Condiie care mai poate fi scris i sub forma:

1 >> a

Amplificatoarelecureacieinverssuntutilizatepentru realizarea circuitelor oscilante(oscilatoare cu reacie). 130+ UC L R 12 K 6.2.5. Generatoare de impulsuri Pentruobinereaoscilaiilorelectricedefrecvennecesar pentrualimentarea vibratorului de emisie, sondele ultrason au n componenalorgeneratoaredeimpulsurirealizatecuajutorul circuitului oscilant clasic i a oscilatoarelor electronice. 6.2.5.1. OscilatorulLC Se consider un circuit electric format dintr-uncondensator Ci o bobin deinductanLi rezistenR,care estealimentat de la o surs de tensiune continu U (fig.6.23). Fig 6.23.Circuitul oscilant Cnd comutatorul K se afl n poziia 1, condensatorul C se ncarcpancndtensiunealabornelesaledevineegalacu tensiunea U. Deci n condensator s - a nmagazinat o cantitate de energie capacitiv data de relaia: 131 22CUWC =(6.47) Dac se trece comutatorul K n poziia 2 , condensatorul C se descarcprincircuitulformatdeinductanaLirezistenaR provocnd apariia unui curent I prin acest circuit. Energia capacitiv Wc se transform n energie inductiv WL dat de expresia ; 22LIWL = (6.48) DardatoritrezisteneiR,transferuldeenergiesefacecu pierderi prin efect Joule Lentz: WR = R I2 t(6.49) CondensatorulCcares-adescrcat,sencarc(cu polaritateinvers)dinenergiaWLabobineipancndtoat aceast energie se transfer din nou n condensator. Acest transfer serepetpncndtoatenergiainiialacondensatoruluise pierde prin rezistena R. Acest proces este posibil cnd: CLR UB1schemacomutprinprocesregenerativ n starea de cvasiechilibru T1 deblocat, T2 blocat. LanceputulacesteistripebazaluiT2esteprezent tensiuneanegativUB2=-UCCcarescadetreptatdatorit descrcriicondensatoruluiprincircuitulC2-Rb2UccT1;la momentul t1,UB2devine zero(graficul d)ischemacomutdin nou n starea de echilibru stabil , care se menine pn la aplicarea unui nou impuls de declanare. Circuitulbasculantmonostabilestefolositpentruobinerea unor impulsuri de durat dorit ( reglabil ). c). Circuitul basculant astabilCircuitulbasculantastabilconstdintr-unamplificatorcu douaetajecucuplajRClacareieireaesteconectatlaintrare fig. (6.33). Schema reprezint un oscilator , numit i multivibrator sau generator de oscilaii nesinusoidale. Fig.6.34Circuitul basculant astabil +U+UBB Rc1Rc1Rc2 Rc2 Rb1 Rb1 Rb2 Rb2 T1T1 T2 T2 C1C1C2C2 2 1 143 Sepresupunecaschemaestesimetric(RC1=RC2;RB1= RB2 ;C1 =C2i transistoarele identice), iartransistoarele seafl n regimurile active de funcionare . n aceste condiii curenii pe colectorisuntegali,IC1= IC2iaceaststarearputeafi considerat o stare de echilibru . Daranumitecondiiifiindsatisfcute(modulul coeficientului de amplificare n bucl deschis mai mare dect 1) schema nu poate rmne n starea aceasta ( de mai sus ) DacatensiuneaUB1areomicafluctuaiecaurmarea conectrii tensiunii de alimentare sau a unor semnale parazite , n cazulcaceastfluctuaieestenegativafadeUBQfig.(6.35.b), atunci IC1 va scdea i pe colectorul transistorului T1 ia natere un salt pozitiv de tensiune,acest saltestetransmis prin intermediul capacitii C2 spre transistorul T2 , unde este amplificat i inversat cafazirevinepebazaluiT1 subformaunuisaltnegativde tensiune, care se suprapune peste cel iniial (reacia este pozitiv).Procesuldecirculaiealsalturilordetensiunepebuclade reaciepozitivcontinupancndT1seblocheaz,iarT2se deblocheaz(eventual intr n regiunea de saturaie) se realizeaz prima stare de echilibru.Daraceastastarenuestestabil,deoareceeadureazatt timpctcapacitatea C1,care ntimpul procesuluiregenerativ s-a ncrcatcupolaritateaindicatnfig.6.34,sedescarctreptat prin circuitulC1 - RB1 UCC T2(T2 fiind deblocat) pan cnd UB1devinezeroiT 1trecedinregiuneadetiere(blocare)n regiuneaactiv.Sedezvoltdinnouunregenerativnurma cruiaschematrecenceadeadouastaredecvasiechilibru:T2 blocat, T1 deblocat.Procesulserepetnedefinitipecolectoriicelordou transistoare,laborneledeieire1i2seobinoscilaii (impulsuri) de form aproximativ dreptunghiular. 144UB1 t1 a) 0 0 0 0 t t t t UC1 UB2 UC2 b) c) d) t2 Fig.6.35 Diagramele de funcionare a CBA n reprezentarea pe diagrame s-a pornit de la momentul cnd schema a comutat n starea T1 blocat, T2 deblocat. Imediat ncepe descrcareacapacitiiC1micorndtensiuneanegativpebaza lui T 1 ( fig. 6.35 a ). TotodatarelocncrcareacondensatoruluiC2pecircuitul C2 - RC1 UCC Rin2, , drept urmare, tensiunea , UC1 nu ajunge la valoarea UCC i prezint un anume timp de cretere(fig, 6.35 b) . 145 TransistorulT2 fiindsaturat,tensiuneaUC2esteuor pozitivavnd valori de ordinul zecimilor de voli. La momentul t1, tensiuneaUB1devinezero,transistorulT1intrnregiunea activ i schema comut prin proces regenerativ n cea de-a doua staredecvasiechilibru(T1deblocat,T2blocat),caresepstreaz peduratat2(fig.6.35c)ctsedescarccapacitateaC2pe circuitul:C2-RB2UCCT1,nacelaitimparelocncrcarea condensatorului C1 pe circuitulC1 Rc2 UCC Rin1 i tensiunea UC2 are un anumit timp de cretere( fig. 6.35d ).