СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СТЕРЖНЕВОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
MODE OF EXCITATION FOR ROD-SHAPED HYDROACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн навигационных, рыбопоисковых, и другого назначения гидроакустических станций, а также для систем звукоподводной связи.
Стержневые преобразователи используются во многих гидроакустических системах благодаря удобству их компоновки в антеннах. При этом используются различные способы возбуждения стержневых преобразователей. Наиболее распространенным является способ, при котором весь пьезоактивный стержень (все его части) возбуждается одним и тем же электрическим напряжением (случай синфазного возбуждения). В этом случае амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) преобразователей в режиме излучения определяются его конструкцией (колебательной системой), см., например, патент РФ №2147797. «Малогабаритный широкополосный гидроакустический излучатель». / Касаткин Б.А., Касаткин С.Б., Публ. 20.04.2000, H04R 1/44, 17/00, или корректирующими электрическими цепями, включаемыми между источником возбуждения и преобразователем, см., например, Пьезокерамические преобразователи. / Справочник под ред. Пугачева С.И. Л., Судостроение, 1984, гл.6, с.170-181. При этом могут быть получены достаточно широкополосные АЧХ излучения. Однако в первом случае достигаемая полоса пропускания составляет 1 октаву (66.7%) и преобразователь в основном предназначен для работы в области сравнительно низких частот - менее 50 кГц, а во втором - существенными оказываются потери энергии в корректирующих электрических цепях, что сказывается на уменьшении уровня излучения, и для таких преобразователей КПД≤50%.
Известен также способ возбуждения [патент США №4752918. «Электроакустический преобразователь». / Didier Boucher и др. Публ. 21.01.1988, HL01 41/08, H04R 17/00, Н04 В 13/00], заключающийся в том, что пьезоактивный секционированный стержень в преобразователе типа "Tonpilz" с помощью логического устройства электрически разделяется на различные (по числу секций) группы, каждая из которых может возбуждаться в фазе или в противофазе по отношению к другим группам. При этом амплитуда возбуждающего электрического напряжения, подаваемая на пьезоактивные части каждой группы, является одной и той же. В итоге может быть реализована в достаточно широком диапазоне частот многорезонансная АЧХ излучения, позволяющая эффективно работать на нескольких резонансных частотах. Недостатком такого способа возбуждения является то, что он не позволяет сформировать эффективное излучение в широкой полосе частот, например, порядка 1 октавы (66.7%) и более.
p
0
p
0
0
p
0
p
Способ возбуждения [патент США №6950373. «Широкополосный многорезонансный преобразователь». / Butler A.L., Butler J.L. Публ. 27.09.2005, H04R 17/00] в значительной мере определяется конструкцией стержневого преобразователя, который содержит тыльную накладку, пьезоактивный секционированный стержень, буферный пассивный стержень и фронтальную накладку. Буферный пассивный стержень выполняется полуволновым по отношению к пьезоактивному секционированному стержню на его резонансной частоте f, которая по отношению ко всей стержневой конструкции с резонансной частотой f=f/2 оказывается первой четной гармоникой. Благодаря такой несимметричной конструкции, при синфазном возбуждении всех секций пьезоактивного секционированного стержня, преобразователь будет эффективно работать на трех резонансных частотах: f, 2f=f и 3f, формируя на своей АЧХ соответственно три сравнительно узкополосных максимума. С целью сглаживания этих максимумов (в основном - уменьшения максимума на частоте f), в тыльной части пьезоактивного секционированного стержня дополнительно устанавливают пьезопластину, служащую датчиком колебательной скорости, с которой соединяется корректирующая цепь обратной связи, содержащая усилитель-инвертор и интегро-дифференциальный блок, сигнал с которого поступает на сумматор. В последнем возбуждающее электрическое напряжение суммируется с сигналом обратной связи, затем итоговый сигнал усиливается и подается для возбуждения всего пьезоактивного секционированного стержня. Недостатками предложенного решения являются достаточно сильно выраженная неравномерность АЧХ (даже после введения корректирующей цепи обратной связи), а также потери в уровне излучения, связанные с заменой части пьезоактивного стержня буферным пассивным стержнем.
0
0
0
0
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ возбуждения стержневого секционированного преобразователя, изложенный в патенте США №7126878. «Двухтактный преобразователь типа Tonpilz», Erikson K.R. Публ. 24.10.2006, H04R 17/00. Способ возбуждения такого стержневого гидроакустического преобразователя, содержащего пьезоактивный стержень, электрически разделенный на две части с тыльной и фронтальной накладками, заключается в том, что на одну часть пьезоактивного стержня подается противофазное по отношению к другой части возбуждающее электрическое напряжение U, т.е. на одну часть пьезоактивного стержня подается электрическое напряжение «+U», а на другую - «-U». Причем указанное соотношение между амплитудами и фазами электрических напряжений, подаваемых на обе части пьезоактивного стержня, сохраняется неизменным во всем диапазоне частот. Тот же эффект может быть получен, если пьезокерамические элементы (шайбы), образующие одну часть пьезоактивного стержня, будут поляризованы противоположно по отношению к пьезокерамическим шайбам, образующим его другую часть. При этом обе части пьезоактивного стержня оказываются включенными противофазно друг другу и возбуждаются одним и тем же электрическим напряжением U.
2
0
Недостатком такого способа возбуждения является то, что разделение на две части пьезоактивного стержня, при условии их противофазного возбуждения (включения), приводит к эффективной работе такого стержневого преобразователя лишь в области частоты F, являющейся его резонансной частотой или первой четной гармоникой преобразователя в случае синфазного возбуждения обеих частей пьезоактивного стержня электрическим напряжением U. Даже если фронтальную накладку этого преобразователя выполнить согласующей, то достигаемая полоса пропускания может составить лишь 35…45%, т.е. менее 1 октавы.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в разработке такого способа возбуждения, который позволяет без усложнения конструкции стержневого преобразователя существенно увеличить его полосу пропускания до 2 октав (122%). Причем предлагаемое решение может быть использовано и для сравнительно высокочастотных преобразователей, в том числе пластинчатых преобразователей, работающих в области частот более 50…100 кГц.
T
2
T
Ф
0
2
фн
ф
ф
ф
k
c
ф
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом изобретении так же, как в известном (прототипе), стержневой гидроакустический преобразователь содержит пьезоактивный стержень, электрически разделенный на две части, тыльную и фронтальную накладки. Но в отличие от известного, в предлагаемом способе возбуждения стержневого преобразователя на часть пьезоактивного стержня, контактирующую с тыльной накладкой, подают возбуждающее электрическое напряжение U, амплитуду которого вначале увеличивают с ростом частоты, а затем, при достижении ею максимального значения на частоте F, соответствующей первой четной гармонике пьезоактивного стержня при синфазном возбуждении его частей, симметрично уменьшают, причем фазу электрического напряжения U, относительно электрического напряжения U, подаваемого на другую часть пьезоактивного стержня, последовательно изменяют с ростом частоты от ±π на частоте F=0 до ∓π на частоте 2F, при этом значения удельного импеданса z и толщины lфронтальной накладки выбирают из условий:  и l≈0.25l·с/с, где z и z - удельные импедансы материала пьезоактивного стержня и жидкой среды, в которую происходит излучение; l - длина пьезоактивного стержня; с и с - скорости звука в материалах фронтальной накладки и пьезоактивного стержня.
T
Ф
2
1
2
1
2
1
1
Достигаемый технический результат заключается в возможности дополнительного, существенного по сравнению с прототипом, увеличения полосы пропускания стержневого гидроакустического преобразователя (до 2 октав) путем электрически управляемого возбуждения двух частей его пьезоактивного стержня в указанной полосе частот, которое обеспечивается указанным в п.1 формулы законом изменения амплитуды и фазы электрического напряжения U, подаваемого на часть пьезоактивного стержня, контактирующую с тыльной накладкой. При этом на другую часть пьезоактивного стержня подается частотно независимое, постоянное по амплитуде и фазе электрическое напряжение U, a фронтальная накладка, с которой контактирует эта часть пьезоактивного стержня, выполняется согласующей четвертьволновой на частоте F, являющейся первой четной гармоникой для всего синфазно возбуждаемого пьезоактивного стержня. Предлагаемый способ возбуждения и выбор параметров фронтальной накладки позволяют активизировать работу стержневого гидроакустического преобразователя на трех характерных частотах F≈F/2, 2F≈F и 3F,  где F - резонансная частота пьезоактивного стержня при синфазном возбуждении всех его частей, а также в областях между ними, обеспечивая сравнительно малый уровень неравномерности АЧХ преобразователя и полосу пропускания порядка 2 октав.
T
φ
Ф
T
ф
T
Ф
T
Указанные в п.1 формулы изобретения тенденции изменения амплитуды электрического напряжения U и его разности фаз Δ относительно электрического напряжения U определяются результатами решения задачи синтеза для стержневого преобразователя, пьезоактивный стержень которого содержит две части, возбуждаемые произвольными по амплитуде и фазе электрическими напряжениями, при условии обеспечения этим преобразователем в заданном диапазоне частот постоянной АЧХ и линейной фазочастотной характеристики излучения. Вид формульного представления частотных зависимостей U и Δφ в этом случае достаточно сложный и включает много параметров. Поэтому в рамках данной заявки не приводится. Реализация полученных при этом соотношений амплитуд и фаз электрических напряжений U и U требует использования современной микропроцессорной техники. Одним из вариантов более простой реализации, являющейся аппроксимацией требуемых частотных зависимостей соотношений амплитуд и фаз электрических напряжений U и U служит способ возбуждения по п.2 формулы изобретения.
1
2
Ф
2
T
Указанный технический результат обеспечивается также совокупностью признаков, изложенных в п.2 формулы, характеризующих способ возбуждения, в котором на часть пьезоактивного стержня, контактирующую с тыльной накладкой, подают возбуждающее электрическое напряжение, амплитуду которого изменяют по закону , где k≈(0.8…1.2) и k≈(0.6…1.0) - коэффициенты, а его фазу относительно электрического напряжения U, подаваемого на другую часть пьезоактивного стержня, изменяют по закону Δφ=±π(1-F/F). Такие частотные зависимости U и Δφ могут быть реализованы сравнительно простыми средствами, например, с помощью фильтра с частотно регулируемым коэффициентом передачи и линии задержки.
T
T
jΔφ
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3. На фиг.1 показан пример возможной реализации предлагаемого способа возбуждения стержневого гидроакустического преобразователя, где 1 и 2 - соответственно тыльная и фронтальная части пьезоактивного стержня; 3 и 4 - фронтальная и тыльная накладки; 5 - усилители мощности; 6 - предварительные усилители; 7 - блок управления амплитудой; 8 - блок фазовой коррекции; 9 - генератор сигналов. На фиг.2-7 показаны реализуемые с помощью предлагаемого способа возбуждения расчетные АЧХ звукового давления (фиг.2 и 5), формируемые стержневым гидроакустическим преобразователем при условии его достаточной нагруженности (например, работа в составе антенны достаточно больших волновых размеров), а также частотные зависимости амплитуды U (фиг.3 и 6) и фазы Δφ (фиг.4 и 7) электрического напряжения Ue, подаваемого на часть пьезоактивного стержня, контактирующую с тыльной накладкой.
Ф
ф
ф
ф
k
c
ф
Ф
2
1
Ф
T
1
2
1
2
T
1
2
T
Предлагаемый способ возбуждения осуществляется следующим образом. Основные параметры фронтальной накладки стержневого гидроакустического преобразователя: ее удельный импеданс z и толщину l, выбирают соответственно из условий:  и l≈0.25l·с/с, где z и z - удельные импедансы материала пьезоактивного стержня и жидкой среды, в которую происходит излучение; l - длина пьезоактивного стержня; c и с - скорости звука в материалах фронтальной накладки и пьезоактивного стержня. При этом толщина l фронтальной накладки будет соответствовать четверти длины волны на частоте F. Внешнюю поверхность фронтальной накладки стержневого гидроакустического преобразователя приводят в контакт с жидкой средой (водой), в которую происходит излучение. От генератора сигналов 9 возбуждающее электрическое напряжение подается по одному каналу через предварительный усилитель 6 и усилитель мощности 5 на часть пьезоактивного стержня 2, контактирующую с фронтальной накладкой, а по другому каналу - через блок фазовой коррекции 8, блок управления амплитудой 7, предварительный усилитель 6 и усилитель мощности 5 на часть пьезоактивного стержня 1, контактирующую с тыльной накладкой. Блок фазовой коррекции обеспечивает последовательное изменение разности фаз Δφ от ±π до ∓π с ростом частоты от 0 до 4F между электрическими напряжениями U и U, подаваемыми на указанные части пьезоактивного стержня. При этом в области частоты 2F≈F разность фаз близка к нулю. Знаки «±» и «∓» указывают на два возможных варианта начальных и конечных значений разности фаз на соответствующих частотах между электрическими напряжениями, подаваемыми на две части пьезоактивного стержня. Использование одной пары «+, -» или другой «-, +» принципиально не сказывается на работе преобразователя. Однако переход от одной пары к другой требует небольшой коррекции по соотношению амплитуд возбуждающих напряжений (значений коэффициентов k и k), не изменяя общий характер частотной зависимости U. Блок управления амплитудой электрического напряжения обеспечивает ее изменение с частотой таким образом, чтобы на частоте 2F≈F амплитуда U достигала своего максимального значения, а на указанных крайних частотах была в 1.5…2.5 раза меньше этого значения.
1
2
1
2
1
т
2
T
1
1
2
1
Ф
T
1…
2
2
1
Принцип работы стержневого гидроакустического преобразователя заключается в том, что, благодаря выбору параметров фронтальной согласующей накладки и характеру возбуждения двух частей пьезоактивного стержня, формируются три взаимосвязанные области эффективного излучения с базовыми частотами F≈F/2, 2F≈F и 3F. Постепенное изменение фазы (разности фаз Δφ) и амплитуды возбуждающего электрического напряжения U, значения которых в области частоты F соответственно: Δφ приближается к нулю и U достигает своего максимального значения, способствуют выравниванию уровня излучения в области между первой и второй нечетными гармониками, т.е. между частотами F и 3F, обеспечивая тем самым полосу пропускания более 100%. Уровень излучения в области первой четной гармоники F≈2F в основном поддерживается за счет разницы в значениях амплитуд U и U, а использование согласующей фронтальной накладки способствует выравниванию АЧХ в областях между частотами FF и F…3F.
N
2
T
Ф
Ф
Ф
ф
ф
c
k
ф
ф
ф
cp
jΔφ
6
6
6
В качестве примера на фиг.2 приведены результаты расчета для нормированной АЧХ звукового давления P, а на фиг.3 и 4 - для реализующих эту АЧХ частотных зависимостей соответственно: амплитуды  и фазы Δφ=-π(1-F/F) возбуждающего электрического напряжения Ue. Волновой размер фронтальной накладки здесь был выбран: kl=0.25kl, где k=ω/с, k=ω/c, ω=2πF, а удельный импеданс - z=3·10Па·c/м (z=1.5·10Па·c/м и z=25·10Па·c/м), коэффициент механической трансформации γ=S/S=4, где S и S - площади поперечного сечения фронтальной накладки и пьезоактивного стержня. Полоса пропускания в данном случае составляет ΔF/F=117%, а в известном способе она не превышает 45%.
1
1
N
T
Ф
Ф
Ф
ф
cp
2
jΔφ
6
В том случае, когда частотная зависимость Δφ определяется из решения задачи синтеза, эта зависимость имеет более сложный вид, в целом сохраняя в рабочей полосе частот преобразователя указанную в формуле изобретения тенденцию. При этом улучшается равномерность АЧХ излучения, приближаясь к виду плато на участке между частотами F и 3F. Указанное обстоятельство иллюстрируется данными расчетов, приведенными на фиг.5-7. На фиг.5 приведена нормированная АЧХ звукового давления P преобразователя, а на фиг.6 и 7 - частотные зависимости амплитуды  и фазы Δφ электрического напряжения Ue, реализующего показанную на фиг.5 АЧХ излучения. В данном случае волновой размер и удельный импеданс фронтальной накладки были выбраны: kl=0.25kl и z=3.5·10Па·c/м. Коэффициент механической трансформации здесь γ=2, поэтому полоса пропускания немного меньше и составляет ΔF/F=112%, но с неравномерностью АЧХ менее -2 дБ. Пунктирной линией на фиг.7 показана аппроксимирующая частотная зависимость Δφ=-π(1-F/F).