Пьезоэлектрический гидроакустический преобразователь

Полезная модель относится к устройствам для преобразования сигналов объемного давления в электрические сигналы и может быть использована в пьезоэлектрических гидроакустических преобразователях, работающих в режиме приема в условиях повышенных гидростатических давлений в диапазоне 3,5 МПа - 6 МПа на глубине до 600 м.
В качестве чувствительных пьезоэлементов акустических приемников традиционно использовали плотную пьезокерамику, отличающуюся высокими значениями электрофизических параметров и их стабильностью в широком интервале температур и гидростатических давлений. Однако плотная пьезокерамика способна преобразовывать преимущественно одноосные колебания, вследствие чего характеризуется крайне низкими значениями объемно чувствительных характеристик. Вышеуказанная керамика характеризуется высокими значениями плотности и скорости звука и, как следствие, высоким акустическим импедансом, что затрудняет согласование акустических приемников с ее участием в воздушной и водной средах. В связи с этим при использовании плотной пьезокерамики для целей акустики и гидроакустики приходится трансформировать объемные колебания в одноосные путем усложнения конструкции пьезоэлектрического преобразователя.
Этих недостатков лишены преобразователи на основе пьезокомпозитов, которые благодаря высоким объемно чувствительным характеристикам и лучшему акустическому согласованию с водой позволяют отказаться от необходимости трансформации объемного давления в одноосное и, следовательно, существенно упростить конструкцию преобразователей для целей акустики и гидроакустики и снизить их стоимость (А.А. Нестеров, А.А. Панич, С.Н. Свирская, А.Ю.Малыхин, А.В. Скрылёв, Е.А. Панич. - Способы формирования микроструктуры пористых пьезокерамических каркасов, Инженерный вестник Дона №3, 2012) [1].
Наиболее близким по выполнению и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пористое керамическое тело из пьезоэлектрического материала на основе цирконата - титаната свинца, имеющее открытые поры, два электрода и эластичное покрытие из силиконового каучука, изопренового каучука или полиуретана, толщиной от 0,1 до 1,5 мм, выполненное герметичным, которое покрывает всю поверхность керамического тела вместе с электродами (RU 2298300, МПК H04R 17/00, H01L 41/08, G01L 21/10, опубл. 21.04.2007 С. 6-7) [2], принимаемый за прототип.
Недостатком прототипа является ограничение срока эксплуатации пьезоэлектрического преобразователя при высоких гидростатических давлениях, что обусловлено недостаточно высокой прочностью герметизирующего эластичного покрытия. При высоких гидростатических давлениях вода со временем диффундирует через тонкое эластичное покрытие, что может привести к замыканию электродов и выходу из строя пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя.
Самые высокие значения объемной пьезочувствительности в соответствии с данными прототипа получены при толщине эластичного герметичного покрытия 0,1-1,5 мм. Дальнейшее увеличение толщины слоя приводит к существенному (до 3 раз) снижению объемной пьезочувствительности.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение срока эксплуатации пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя при высоких гидростатических давлениях в диапазоне 3,5 МПа - 6 МПа на глубине до 600 м при сохранении максимальных значений объемной пьезочувствительности.
Указанный технический результат достигается тем, что пьезоэлектрический гидроакустический преобразователь содержит пористое керамическое тело из пьезоэлектрического материала на основе цирконата - титаната свинца, имеющее открытые поры, два электрода на его рабочих поверхностях и эластичное покрытие из полиуретана, выполненное герметичным, которое покрывает всю поверхность керамического тела вместе с электродами.
Согласно полезной модели на поверхности керамического тела с двумя электродами расположена клеевая пленка, закрывающая поры керамического тела и электродов, на поверхности которой расположен адгезивный слой, выполненный из фенолформальдегидной смолы, содержащей функциональные бутиральные группы и группу изоцианатов, обеспечивающий акустический контакт между клеевой пленкой и эластичным покрытием из полиуретана, толщина которого составляет 3-5 мм.
В предпочтительном выполнении:
- клеевая пленка выполнена из бутираль-фенольного клея марки БФ-2; -
- клеевая пленка выполнена из нитроцеллюлозного клея марки НЦ-88.
Полезная модель поясняется фигурой чертежа и таблицей.
На фигуре приведен схематический чертеж заявляемого пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя.
h
В таблице приведена зависимость чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu, мкВ/Па, удельной объемной пьезочувствительности g, мВ×м/Н в воздушной камере при амплитуде акустического давления 20 МПа и в камере повышенного давления при значениях гидростатического давления 3,5 МПа, 6,5 МПа от толщины h, мм эластичного покрытия из полиуретана, полученные при испытаниях заявляемого пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя.
марки
Пьезоэлектрический преобразователь (фиг.) содержит пористое керамическое тело 1 из пьезоэлектрического материала на основе цирконата - титаната свинца, на рабочих поверхностях которого имеются верхний электрод 2 и нижний электрод 3. На всей поверхности керамического тела 1 расположена клеевая пленка 4, например, из бутираль-фенольного клея  БФ-2 или нитроцеллюлозного клея марки НЦ-88, закрывающая поры керамического тела и электродов 2, 3. На клеевой пленке 4 расположен адгезивный слой 5, выполненный из фенолформальдегидной смолы (ФФС), содержащей бутиральные функциональные группы и группу изоцианатов, обеспечивающий акустический контакт между клеевым слоем 4 и эластичным покрытием 6 из полиуретана, при этом толщина эластичного покрытия 6 из полиуретана увеличена по сравнению с прототипом и составляет 3-5 мм. Такое увеличение толщины покрытия 6 из полиуретана затрудняет диффундирование воды при высоких гидростатических давлениях, вода не замыкает электроды, что приводит к повышению срока службы пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя. При этом сохраняются высокие значения объемной чувствительности пьезоэлектрического преобразователя, что не могло быть достигнуто в конструкции прототипа.
Механизм получения акустического контакта между слоями состоит в следующем. Адгезивный слой 5, выполненный из фенолформоальдегидной смолы, содержащей бутиральные функциональные группы и группу изоцианатов сшивает разнородные материалы за счет межмолекулярного взаимодействия на границе контактируемых поверхностях (Каплан И.Г., Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий, М., 1982) [3]. Функциональные группы в составе адгезива взаимодействуют с компонентами в составе бутираль-фенольного или нитроцеллюлозного клея, а группы изоцианатов взаимодействуют с изоционатами полиуретана, что вместе приводит к получению однородной (без воздушных включений и трещин) границы фаз между слоями и образованию акустического контакта между ними. При этом обеспечение акустического контакта позволяет увеличить толщину эластичного покрытия из полиуретана до 3-5 мм, что приводит к повышению срока эксплуатации пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя при гидростатическом давлении 3,5 МПа - 6 МПа на глубине до 600 м.
Примеры конкретного выполнения.
h
Из пьезоэлектрического материала ПКП-13 на основе цирконата-татаната свинца были изготовлены композиционные пьезоэлектрические элементы со смешанной связностью 3-0 и 3-3 диаметром 30 мм, высотой 9 мм. На рабочие поверхности пористого керамического тела наносилась серебросодержащая паста, которая вжигалась при температуре 800°С. Поляризацию проводили в воздухе в электрическом поле 1 кВ/мм. К электродам припаивались токовыводы для снятия электрического сигнала. Затем заготовку окунали в бутираль-фенольный клей марки БФ-2 или нитроцеллюлозный клей марки НЦ-88 и сушили в течение 60 минут на воздухе. На полученную заготовку кисточкой наносили адгезивный слой из фенолформальдегидной смолы марки Силбонд-41, производитель компания «Коммерлинг ЮКей Лтд». Затем полученную заготовку помещали в форму и заливали со всех сторон жидким полиуретаном марки СПБ-ХП-100 (ТУ 2224-001-20507988-2014). По истечению суток, после полной полимеризации полиуретана, на установке контроля параметров пьезоэлементов «Паскаль-4» (изготовитель НКТБ «Пьезоприбор», Ростов-на-Дону) измерялась чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu, мкВ/Па и рассчитывались значения удельной объемной пьезочувствительности g, мВ×м/Н, по формуле:
h
g = Mu/h,
где Mu - чувствительность к звуковому давлению по напряжению, мкВ/Па;
h - высота пьезоэлемента, мм.
Измерение чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu при нормальных условиях проводили в воздушной камере установки контроля параметров пьезоэлементов «Паскаль-4», в которой на преобразователь взаимодействует акустическое давление амплитудой 20 Па. Измерение чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu пьезоэлектрического преобразователя при условиях воздействия гидростатического давления проводили в камере избыточного давления установки «Глубина» (изготовитель НКТБ «Пьезоприбор», Ростов-на-Дону) при одновременном воздействии акустическим давлением амплитуды 20 Па и гидростатического давления 3,5 МПа, 6 МПа в течение 24 часов.
h
Зависимость чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu, удельной объемной пьезочувствительности g в воздушной камере при амплитуде давления 20 Па и в камере повышенного давления при значениях гидростатического давления 3,5 МПа, 6 МПа от толщины h, мм эластичного покрытия из полиуретана представлены в таблице 1.
Пример 1.
Изготовлены образцы пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя по описанной технологии толщиной эластичного покрытия 6 из полиуретана h=1 мм.
h
h
h
Значения чувствительности к звуковому давлению по напряжению, Mu, в воздушной камере до воздействия гидростатических давлений 3,5 МПа 6 МПа - составляют 817 мкВ/Па, а удельной объемной пьезочувствительности g = 90 мВ×м/Н. В камере повышенного давления при значении гидростатического давления 3,5 МПа, Mu=573 мкВ/Па, g=90 мВ×м/Н, при значении гидростатического давления 6 МПа Mu=108 мкВ/Па, g=12 мВ×м/Н. Значительное изменение чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu произошло через 6 часов после воздействия гидростатического давления (таблица 1).
Пример 2.
Изготовлены образцы пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя толщиной эластичного покрытия 6 из полиуретана h=2 мм.
h
h
Значения чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu в воздушной камере до воздействия гидростатических давлений 3,5 МПа, 6 МПа, составляют 825 мкВ/Па, а удельной объемной пьезочувствительности g=91 мВ×м/Н. В камере повышенного давления при значении гидростатического давления 3,5 МПа Mu=601 мкВ/Па, g=66 мВ×м/Н, при значении гидростатического давления 6 МПа Mu=305 мкВ/Па, g=33 мВ×м/Н. Значительное изменение чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu произошло через 10 часов после воздействия гидростатического давления (таблица 1).
Пример 3.
Изготовлены образцы пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя по описанной технологии толщиной эластичного покрытия из полиуретана h=3 мм.
h
h
h
Значения чувствительности к звуковому давлению по напряжению, Mu, в воздушной камере, до воздействия гидростатических давлений 3,5 МПа, 6 МПа, составляют 820 мкВ/Па, а удельной объемной пьезочувствительности g-91 мВ×м/Н. В камере повышенного давления, при значении гидростатического давления 3,5 МПа Mu=822 мкВ/Па, g=91 мВ×м/Н, при значении гидростатического давления 6 МПа, Mu=720 мкВ/Па, g=80 мВ×м/Н.
Пример 4.
Изготовлены образцы пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя по описанной технологии толщиной эластичного покрытия из полиуретана h=4 мм.
h
h
h
Значения чувствительности к звуковому давлению по напряжению, Mu, в воздушной камере, до воздействия гидростатических давлений 3,5 МПа, 6 МПа, составляют 815 мкВ/Па, а удельной объемной пьезочувствительности g-90 мВ×м/Н. В камере повышенного давления, при значении гидростатического давления 3,5 МПа Mu=815 мкВ/Па, g=90 мВ×м/Н, при значении гидростатического давления 6 МПа Mu=727 мкВ/Па, g=81 мВ×м/Н.
Пример 5.
Изготовлены образцы пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя по описанной технологии толщиной эластичного покрытия из полиуретана h=5 мм.
h
h
h
Значения чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu в воздушной камере, до воздействия гидростатических давлений 3,5 МПа, 6 МПа, составляют 827 мкВ/Па, а удельной объемной пьезочувствительности g-91 мВ×м/Н. В камере повышенного давления, при значении гидростатического давления 3,5 МПа, Mu=825 мкВ/Па, g=91 мВ×м/Н, при значении гидростатического давления 6 МПа, Mu=736 мкВ/Па, g=82 мВ×м/Н.
h
h
h
Таким образом, в примере 1 значимо изменилась чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu и удельная объемная пьезочувствительность g через 6 часов, а в примере 2 через 10 часов. В диапазоне толщин эластичного покрытия из полиуретана h=3-5 мм, примеры 3, 4, 5 имеют высокие значения удельной объемной пьезочувствительности g=80-82 мВ×м/Н после воздействия гидростатических давлений 3,5 МПа, 6 МПа. Достигнут положительный эффект в части увеличения толщины слоя эластичного покрытия, изготовленного из полиуретана с промежуточным нанесением на пористое керамическое тело слоя из бутираль-фенольного клея и адгезивного слоя. При увеличении толщины покрытия увеличивается срок эксплуатации и работоспособность пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя на глубине до 600 м и более с сохранением максимальных значений чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu и удельной объемной пьезочувствительности g. Проведена опытно-конструкторская разработка заявляемого пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя и проведены испытания. Устройство готово к использованию по своему назначению.
Источники информации:
1. А.А. Нестеров, А.А. Панич, С.Н. Свирская, А.Ю.Малыхин, А.В. Скрылёв, Е.А. Панич. - Способы формирования микроструктуры пористых пьезокерамических каркасов, Инженерный вестник Дона №3, 2012.
2. RU 2298300, МПК H04R 17/00, H01L 41/08, G01L 21/10, опубл. 21.04.2007 - прототип.
3. Каплан И. Г., Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий, М., 1982.
h
Таблица 1. Зависимость чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu, удельной объемной пьезочувствительности g в воздушной камере при амплитуде акустического давления 20 Па и в камере избыточного давления при значениях гидростатического давления 3,5 МПа, 6,0 МПа от толщины h, мм эластичного покрытия из полиуретана
Номер примера
Толщина покрытия, мм
Значения характеристик в воздушной камере
Значения характеристик в камере повышенного давления при воздействии гидростатического давления 3,5 МПа
Значения характеристик в камере повышенного давления при воздействии гидростатического давления 6,0 МПа
Чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu, мкВ/Па
Удельная объемная пьезочувствительность g<sub>h, </sub>мВ×м/Н
Чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu, мкВ/Па
Удельная объемная пьезочувствительность g<sub>h, </sub>мВ×м/Н
Чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu, мкВ/Па
Удельная объемная пьезочувствительность g<sub>h, </sub>мВ×м/Н
1
1
817
90
573
63
108
12
2
2
825
91
601
66
305
33
3
3
820
91
822
91
720
80
4
4
815
90
815
90
727
81
5
5
827
91
825
91
736
82