МНОГОСЛОЙНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ
MULTILAYER PIEZOELECTRIC TRANSDUCER AND METHOD OF ITS ASSEMBLY

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы как по отдельности, так и в составе многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем, например, систем автономных необитаемых подводных аппаратов различного назначения.
Именно пьезокерамические преобразователи, в том числе и содержащие набор активных пьезокерамических и изолирующих элементов, то есть с многослойной структурой, получили широкое распространение как способные обеспечить высокую эффективность в достаточно широкой полосе частот в режимах излучения и приема, а также устойчивость к внешним воздействующим факторам, например, преобразователи стержневого типа.
Для сочетания в большой степени взаимоисключающих требований: высоких уровней излучения и КПД, и одновременного обеспечения пониженной чувствительности к вибрациям при воздействии высокого гидростатического давления до 10÷15 МПа, необходима оптимизация технических решений, включая минимизацию массогабаритных характеристик преобразователя, что особенно важно для многоэлементных антенн гидроакустических систем, а также при использовании преобразователей в конструкциях активных шумопоглощающих материалов.
Для расширения полосы пропускания в преобразователь обычно вводятся дополнительные согласующие элементы в виде четвертьволнового слоя (или системы слоев) либо в виде гибкой вставки и дополнительной массы (см. патент США №4633119). Такие колебательные системы с двумя степенями свободы имеют, как правило, двугорбую частотную характеристику с рабочей полосой порядка одной октавы. Однако у таких конструкций преобразователей значительно повышаются масса и продольный габарит.
Известны конструкции гидроакустических преобразователей Ланжевеновского типа, которые обеспечивают один достаточно широкополосный резонанс за счет использования высоких значений коэффициента механической трансформации, определяемого отношением площади передней накладки к площади пьезокерамического элемента. При этом в силовом газонаполненном варианте конструкций антенн, гидростатическое давление передается на пьезокерамические элементы, в которых возникают сжимающие механические напряжения, ограничивающие предельную глубину работы преобразователя, а в развитой по площади передней накладке могут возникнуть изгибные колебания, оказывающие влияние на частотную характеристику преобразователя. В таких преобразователях, для реализации широкополосного режима излучения с использованием изгиба передней накладки за счет выбора ее геометрии и материала, полоса частотной характеристики порядка одной октавы может быть получена за счет связанных колебаний аналогично двухмодовой механической системе на продольно-изгибных колебаниях (см. патент США №3309654). Обычно такие преобразователи имеют характерный глубокий провал между резонансами и не реализуют требования ограниченной неравномерности частотной характеристики, не превышающей 3 дБ.
Известен силовой вариант конструкции преобразователя, рассчитанный на воздействие гидростатического давления (см. изобретение Франции №2544576). Он состоит из пьезокерамического стержневого элемента, например, многослойного, развитой передней и тыльной накладок, цилиндрического армирующего элемента и опорного стержня, упирающегося в резьбу силового корпуса и жестко связанного с передней накладкой резьбовым соединением. Очевидно, что жесткое крепление за переднюю накладку снижает амплитуду ее колебаний на продольном резонансе и ограничивает эффективность излучения в рабочей полосе частот. В режиме приема вибрации корпуса через жесткий опорный стержень передаются на переднюю накладку и возбуждают пьезокерамический стержень с переднего торца, снижая тем самым виброустойчивость преобразователя.
Такие односторонне нагруженные конструкции преобразователей имеют существенную асимметрию акустической нагрузки: т.к. передняя накладка, прилегающая к водной среде, имеет активную составляющую сопротивления излучения, а тыльная накладка имеет только реактивную составляющую, что сказывается на величине чувствительности к вибрации в режиме приема.
Известны конструкции односторонне нагруженных преобразователей, в которых реализован вариант с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов (см. Стырикович И.И. Преобразователь стержневой виброустойчивый. // VII международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 8-10 июня 2004, Санкт-Петербург, Труды конференции, с. 186-188). В этом варианте с целью снижения чувствительности к вибрации преобразователя, для компенсации разницы в амплитудных и фазовых соотношениях скоростей колебаний его нагруженной и ненагруженной накладок, вносится дополнительное демпфирующее сопротивление со стороны тыльной накладки (заявка РФ №2013159118 «Гидроакустический преобразователь» от 30.12.2013).
По совокупности признаков одним из аналогов предлагаемого изобретения является гидроакустический преобразователь, в котором для снижения влияния воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок, используется схема с частичной разгрузкой внешнего давления за счет крепления в узловой плоскости армирующей шпильки, с использованием фланца, жестко контактирующего с опорной металлической деталью цилиндрической формы, соединяющейся через прорези в задней накладке с силовым корпусом (платой) антенного устройства (см. Добисова Л.В., Масленникова Л.Н., Стырикович И.И. «Гидроакустический преобразователь» - SU 1840705 А1, бюллетень №5, 2009). Этот способ развязки по сути дела реализует вариант с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов, который уменьшает влияние вибраций корпуса на работу преобразователя, а также снижает величины сжимающих механических напряжений, возникающих в пьезокерамических элементах преобразователя в силовом газонаполненном варианте антенного устройства при воздействии высокого гидростатического давления до 15 МПа.
Этот аналог получил усовершенствование в изобретении «Гидроакустический широкополосный преобразователь» RU 2583131 C1, по МПК:H04R 1/44. Это изобретение также предназначено для работы в составе антенн гидроакустических приемоизлучающих систем. Сущность: гидроакустический преобразователь содержит стержневой многослойный пьезокерамический блок элементов, тыльную и изгибно-колеблющуюся переднюю накладки, составной элемент армирования и стержневой элемент крепления, совмещенный с опорным фланцем, размещенным в узловой плоскости составного элемента армирования, и соединяющийся с силовым корпусом антенны. Передняя накладка выполнена в виде поршня с жесткой центральной частью в форме диска и упругой периферийной пластины. Армирующий элемент выполнен составным и разделен расположенным в его узловой плоскости опорным фланцем, жестко соединенным со стержневым элементом крепления, который размещается с зазором внутри цилиндрической части элемента армирования, выполненной в форме стакана и присоединенной к тыльной накладке. Дно стакана жестко соединено через опорный фланец со стержневой частью элемента армирования, присоединенной к передней накладке, а в зазоре между стержневым элементом крепления и тонкостенным цилиндром находится вязкоупругий элемент из акустически мягкого материала. Техническим результатом данного изобретения является обеспечение эффективной работы многослойных пьезокерамических преобразователей в широкой полосе частот до одной октавы с неравномерностью АЧХ не более 3 дБ при воздействии высокого гидроакустического давления до 15 МПа, в том числе, в воздухо-газозаполненном варианте конструкции.
С другой стороны, одним из современных видов пьезоматериалов являются, так называемые, пьезополимерные пленки и излучатели на их основе смотри, например, «Ультразвуковые излучатели на основе пьезополимерной пленки для воздушной среды», Голямина И.П. и др., Акустический журнал, 2012, том 58, №2, с. 200-205.
В этой работе исследовались макеты излучающих элементов с отечественным активным материалом - пьезополимерной пленкой Ф2МЭ - и излучающие устройства с большим числом элементов из немецкой пьезополимерной пленки MSI. Здесь представлены средние значения характеристик для излучающих элементов на основе пьезополимерных пленок двух разных типов. Показано, что излучающие элементы по своим характеристикам различаются мало. У элементов с пьезополимерной пленкой MSI из-за несколько лучшей пьезоактивности, обусловленной более надежной серийной технологией, выше уровень излучения и КПД.
Эти данные и другие, полученные при испытаниях пленочных пьезоэлементов характеристики, свидетельствуют о том, что даже однослойные преобразователи на основе пьезополимерной пленки могут представлять практический интерес для излучения ультразвука низкочастотного диапазона, например, как и обычные керамические пьезопреобразователи, в воздушной среде. Они позволяют достигать приемлемого уровня интенсивности в широкой полосе частот при относительно небольшом весе, габаритах и простоте конструкции. Показано, что подобные излучатели могут найти применение в разнообразных контрольно-измерительных устройствах типа дальномеров, прецизионных уровнемерах, для навигационных задач при маневрировании в порту, для обнаружения препятствий и тому подобное. В то же время способность пьезополимерных преобразователей излучать сигналы в широкой полосе частот позволяет проектировать многоэлементные излучающие, системы, построение которых на базе пьезокерамики требовало бы тщательного подбора элементов, а также, как будет показано, разрабатывать многослойные преобразователи.
Ближайшим аналогом данного изобретения является разработка фирмы Сименс (ФРГ) - европейский патент «Многослойный пьезокерамический преобразователь и способ его сборки», №ЕР 1895605 А1 по МПК: H01L 41/047; H01L 41/2; H01L 41/083; H01L 41/24 с приоритетом от 05.03.2008. Многослойный пьезоэлектрический преобразователь, состоит из не менее чем двух подготовленных слоев пьезокерамики одинаковой формы, собранных в тело преобразователя, например, путем спекания при высокой температуре, с парой подготовленных контактов у каждого слоя, включенных параллельно и подключенных к источнику питания. При этом различные контакты (например, из серебра и меди) закреплены к одноименным пьезокерамическим слоям путем высокотемпературной обработки места соединения нагревом при температуре выше и ниже точки Кюри слоев пьезокерамики соответственно для каждого из электродов.
При этом способ сборки многослойного пьезоэлектрического преобразователя предусматривает подготовку заданного числа слоев пьезокерамики одинаковой формы и пар контактов для каждого слоя, сборку слоев и контактов в тело преобразователя, например, путем спекания при высокой температуре, а также путем параллельного соединения контактов с источником питания.
Техническим результатом данного изобретения является обеспечение эффективной работы многослойных пьезокерамических преобразователей в широкой полосе частот до одной октавы с требуемой неравномерностью АЧХ при воздействии высокого гидроакустического давления, а также снижение механических напряжений в пьезоматериале, приводящих к образованию трещин, связанных с этими напряжениями. Однако при использовании таких преобразователей в гидроакустике недостатком является высокий импеданс преобразователя. Это препятствует использованию подобных многослойных преобразователей в составе подводных звукопоглотителей, снабженных излучателями, например, для активного воздействия на местное шумовое поле в акватории.
Это техническое решение принято в изобретении за прототип.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции многослойного пьезокерамического преобразователя, обеспечивающий в режиме излучения и приема работу в полосе частот не менее октавы с требуемой неравномерностью АЧХ при воздействии высокого гидроакустического давления и одновременно реализующей достижение импеданса преобразователя сравнимого с импедансом окружающей водной среды и возможностью повышения эффективности преобразователя (интенсивности излучения) путем увеличения количества слоев пьезокерамического материала.
Для достижения этого технического результата, в известную по прототипу конструкцию многослойного преобразователя введены новые признаки, а именно слои преобразователя вырезаны из гибкой пьезоэлектрической пленки в виде фигуры, состоящей из заданного числа областей одинаковой формы, снабженных малыми выступами и перемычками вдоль линии сборки, при этом верхняя торцевая поверхность тела преобразователя совпадает с поверхностью первой, а нижняя - с последней из областей, собранных в тело преобразователя в виде клееной складчатой конструкции - «гармошки», с перегибами в местах перемычек, а источник питания соединен непосредственно с полюсами крайнего выступа вырезанной фигуры. В способе же сборки многослойного преобразователя готовят только заданное число слоев преобразователя (в подготовке контактов нет необходимости) путем вырезания из цельного листа гибкой пьезоэлектрической пленки фигуры, состоящей из такого числа областей, соответствующих форме торцевой поверхности тела преобразователя, снабженных по краям малыми выступами и перемычками вдоль линии сборки, а сборку тела преобразователя производят путем складывания поверхности фигуры «гармошкой» из областей пленки с первой до последней, перегибая фигуру в местах перемычек, склеивая области при комнатной температуре и выдерживая под прессом для вытеснения излишков клея из межслойного пространства, после чего соединяют полюса вырезанной фигуры на крайнем выступе непосредственно с источником питания.
Термин «источник питания» в формуле изобретения используется условно, чтобы подчеркнуть возможность использования преобразователя, как обратимого. Конструкция источника питания звука может отличаться в зависимости от режима использования преобразователя. От усилителя с источником питания при приеме акустического сигнала - до генератора с источником питания при излучении звука. В случае же использования преобразователя одновременно для приема и излучения звука между усилителем и генератором включается блок управления режимом работы преобразователя, например, программируемый.
Сущность изобретения поясняется на системе чертежей «Многослойный пьезоэлектрический преобразователь и способ его сборки» (Фиг. 1).
Слои преобразователя (1) вырезаны из гибкой пьезоэлектрической пленки (2) в виде фигуры (3), состоящей из заданного числа областей одинаковой формы (например, круглых или прямоугольных), снабженных малыми выступами (4) и перемычками (5) вдоль линии сборки (6), при этом верхняя торцевая поверхность тела преобразователя (7) совпадает с поверхностью первой, а нижняя - с последней из областей, собранных в тело преобразователя в виде клееной складчатой конструкции - «гармошки» (8), с перегибами в местах перемычек (5), а источник питания (9) соединен непосредственно с полюсами (10) преобразователя, расположенными у крайнего выступа (4) вырезанной фигуры (3).
Функционирование устройства осуществляется следующим образом.
В режиме излучения электрический сигнал от источника (9) подается на полюса (10) фигуры (3) из гибкой пленки (2), что приводит к синфазному колебательному смещению слоев (1), которое увеличивает итоговое смещение торцевых поверхностей тела преобразователя (7), собранного (склеенного) из складчатой конструкции - «гармошки» (8) из фигур (3) с перегибами в местах перемычек (5), причем итоговая величина амплитуды смещения тела преобразователя (7) в заданное число слоев (1) выше, чем у одного слоя пленки (2), а импеданс тела преобразователя (7) оказывается сравнимым с импедансом слоя (1) пленки (2), а также близок к импедансу водной толщи.
В режиме приема смещение окружающей водной среды воспринимается всеми слоями (1) тела (7) преобразователя через верхний слой, усиливая выходной сигнал по току (уменьшая выходное сопротивление тела преобразователя) на выступах (4) в заданное число слоев (1) раз и поступает на вход источника питания (9) через усилитель, а импеданс преобразователя, сравнимый с импедансом водной среды снижает интенсивность поля отраженного от преобразователя.
При сборке преобразователя готовят только заданное число слоев (1) преобразователя путем вырезания из цельного листа гибкой пьезоэлектрической пленки (2) фигуры (3), состоящей из заданного числа областей, соответствующих форме торцевой поверхности тела преобразователя (7), снабженных по краям малыми выступами (4) и перемычками (5) вдоль линии сборки (6), а сборку тела преобразователя производят путем складывания поверхности фигуры (3) «гармошкой» (8) из областей пленки с первой до последней, перегибая фигуру в местах перемычек (5), склеивая области при комнатной температуре и выдерживая под прессом для вытеснения излишков клея из межслойного пространства, после чего соединяют полюса вырезанной фигуры на крайнем выступе (4) непосредственно с источником питания (9).
В описанной выше конструкции преобразователя и способе его сборки реализованы все отличительные признаки, благодаря которым достигается заявленный положительный эффект, а именно обеспечение эффективного излучения в полосе частот порядка октавы, при снижении воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок элементов, а также достижение импеданса преобразователя сравнимого с импедансом окружающей водной среды с возможностью повышения эффективности преобразователя (интенсивности излучения) путем увеличения количества слоев пьезокерамического материала в теле преобразователя.
33
6
2
Для проверки достижимости технического результата авторами был изготовлен образец многослойного пьезоэлектрического преобразователя, в котором в качестве активного материала использовалась гибкая пьезоэлектрическая пленка из поливинилиденфторида (PVDF) типа Ф2М производства АО «Пластполимер». Количество слоев преобразователя составляло 20, при этом преобразователь имел следующие геометрические размеры: диаметр 38 мм, толщина тела преобразователя в смонтированном виде - 2,75 мм. Электрическая емкость преобразователя на частоте 1 кГц - 23,5 нФ, что соответствует эффективному значению относительной диэлектрической проницаемости 6260. Результат измерения пьезомодуля собранного преобразователя составила d=238 пКл/м, что в 20 раз превосходит его значение для слоя пленочного пьезопреобразователя. При этом неравномерность АЧХ пьезопреобразователя в воде в октавном диапазоне частот 1-30 кГц не превышала 3 дБ. Для проверки устойчивости предложенного технического решения к воздействию гидростатического давления испытания пьезопреобразователя проводились в гидробаке при избыточном давлении до 10 МПа, что соответствует глубине погружения до 1 км. Результат измерения частотной зависимости электрического импеданса тела преобразователя представлена на Фиг. 2а (модуль импеданса) и 26 (фаза импеданса) в диапазоне частот, где могли проявляться неравномерности частотной характеристики, связанные с собственными резонансами конструкции тела преобразователя. Значение удельного волнового импеданса тела преобразователя составило 3,8 ⋅10 кг/мс, что сравнимо с импедансом водной среды.
Фотография тела многослойного преобразователя приведена на Фиг. 3.
Таким образом, технический результат от использования изобретения заключаются в обеспечении эффективного излучения в рабочей полосе частот порядка одной октавы с минимальной неравномерностью АЧХ и достижении импеданса преобразователя сравнимого с импедансом окружающей водной среды с возможностью повышения эффективности преобразователя (интенсивности излучения) путем увеличения количества слоев пьезокерамического материала (пленки).