Пьезоэлектрический преобразователь для многоэлементной гидроакустической антенны

Полезная модель относится к гидроакустике и может быть использована при проектировании и разработке высокочастотной многоэлементной гидроакустической антенны, работающей в диапазоне частот свыше 100 кГц в аппаратуре для зондирования морской акватории и исследования океанского шельфа.
пр
пр
пр
пр.
При разработке гидроакустических антенн для решения задачи обнаружения слабо отражающих объектов и удаленных объектов, необходимо в первую очередь обеспечить максимально возможное акустическое давление, генерируемое каждым преобразователем антенны, и максимально возможный электрический сигнал на электрическом выходе преобразователя при приеме отраженного сигнала, т.е. преобразователь должен иметь максимально возможную чувствительность T в режиме излучения , где  - величина акустического давления, излучаемого преобразователем при его возбуждении напряжением возбуждения , и максимально возможную чувствительность М в режиме приема М= I/P, где I- величина тока на выходе преобразователя при приеме акустического давления Р
Известны многоэлементные гидроакустические антенны RU 2121771 [1], RU 2303336, RU 2167496 [2], RU 2757358 [3], RU 2757358 [4], содержащие набор установленных на общем основании стержневых пьезоэлектрических преобразователей, имеющих излучающую и тыльную накладки и загерметизированных водонепроницаемым компаундом.
Указанные антенны обладают малой чувствительностью и не применяются в области высоких частот из-за принципиальных конструктивных особенностей стержневых преобразователей, имеющих накладки, изготовленные из различных пассивных материалов.
Известно (Подводные электромеханические преобразователи. Справочник / Под редакцией В.В. Богородского. Л.- Судостроение, 1983 г., 248 с., стр.102.) [5], что для ультразвукового диапазона частот более 100 кГц применяют пластинчатые пьезоэлектрические преобразователи, каждый из которых представляет пьезоэлектрическую прямоугольную пластину, один размер которой значительно больше двух других. Наибольший размер определяет резонансную рабочую частоту и направление излучения. Отмеченная особенность - один размер значительно больше двух других обусловлена необходимостью обеспечения функционирования преобразователя на одной частоте, соответствующей одной изолированной моде колебаний, которая в данном случае определяется наибольшим размером. Рабочая, резонансная частота определяется соотношением:
, где - частота резонанса;  - скорость звука в пьезокерамике; - высота пластины. Имеющие место другие резонансные частоты, соответствующие другим модам колебаний, которые зависят от других размеров пластины, значительно выше  в силу сформулированного соотношения размеров и практически не влияют на характер колебания на частоте . Поскольку преобразователь функционирует только на одной моде колебаний, то его чувствительность определяется волновыми размерами его излучающей поверхности и электромеханическими свойствами используемого пьезоматериала, характеризуемыми коэффициентом электромеханической связи.
Известная конструкция в силу малости размеров излучающей поверхности имеет низкую чувствительность.
Отмеченный недостаток частично решен в гидроакустической антенне, описанной в гидроакустической антенне (RU 2087082, МПК H04R 1/44, H04R 17/00, опубликовано 06.07.1989) [6], которая содержит протяженные стержневые преобразователи трапециевидного сечения в направлении их высоты, отражающие боковые и тыльные экраны и элементы герметизации. Трапециевидные преобразователи собраны в линейную антенну, с соблюдением компланарности боковых поверхностей, при которой обеспечивается поочередная установка преобразователей с большим и меньшим размером оснований трапеции в направлении излучения антенны. Рабочая резонансная частота трапециевидного преобразователя определяется высотой трапеции. Выполнение боковых стенок в виде наклонных сторон трапеции приводит к «размытию» собственных мод поперечных колебаний, т.е. отмеченное у ранее описанных технических решений «паразитное» влияние других резонансов значительно ослабляется.
Выполнение пьезоэлектрического преобразователя в виде трапеции приводит к тому, что в формировании колебаний по высоте пьезоэлектрического тела принимают участие элементы трапеции, имеющие переменную высоту. При этом подавление поперечных мод с помощью переменной длины преобразователя в направлении перпендикулярном высоте также приводит к частичному подавлению электромеханического преобразования колебаний пьезоэлектрического тела в направлении высоты за счет скошенных участков колеблющегося тела и, как следствие, к уменьшению чувствительности антенны. Очевидно, чем больше будет соотношение размеров оснований трапеции, тем больше будет подавление, как основной моды, так и поперечных.
Известен пластинчатый пьезоэлектрический электромеханический преобразователь для многоэлементной гидроакустической антенны (RU 2330389, МПК H04R17/10, опубл. 27.07.2008) [7], принимаемый за прототип заявляемой полезной модели как наиболее близкий по назначению и конструктивному выполнению.
Пьезоэлектрический преобразователь - прототип содержит монолитное пьезокерамическое тело в виде прямоугольного параллелепипеда, на боковой поверхности которого нанесены опоясывающие электроды для подключения к электронным узлам формирования излучаемого и принимаемого сигналов. Прямоугольное тело поляризовано по высоте, а его размеры: высота h - полуволновый размер продольных колебаний на первой резонансной частоте и длина b выбираются в интервале b=(1÷2) h. Толщина а составляет не более половины волны на частоте колебаний в жидкости.
Недостатком прототипа является его низкая чувствительность, что обусловлено тем, что преобразователь состоит из трех частей: активной, расположенной в центральной части, и двух пассивных. Активная часть занимает 1/3 тела преобразователя. Пассивная часть занимает 2/3 тела преобразователя и не принимает участия в преобразовании электрической энергии в энергию механических колебаний. Поэтому такой преобразователь принципиально не использует все потенциальные возможности механизма преобразования энергии, заложенные в полном объеме пьезокерамической пластины. Такое исполнение преобразователя приводит к резкому уменьшению энергии, преобразованной в механические колебания. Указанное уменьшение относительно потенциально возможной преобразованной энергии для случая полого использования пьезокерамического тела составляет более чем в 2 раза (Б.С. Аронов. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. - Л. Энергоатомиздат, 1990 г., с. 154-156.) [8] и приводит, соответственно, к снижению чувствительности преобразователя.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя, имеющего более высокую чувствительность в режиме приема и излучения за счет вовлечения в процесс электромеханического преобразования всего объема пьезоэлектрического тела, а не только его 1/3 части, как у прототипа.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение чувствительности пьезоэлектрического преобразователя в режиме приема и излучения до максимальных значений за счет преобразования электрической энергии в энергию механических колебаний в режиме излучения и механических колебаний в электрические в режиме приема во всем объеме пьезокерамической пластины.
Указанный технический результат достигается тем, что пьезоэлектрический преобразователь для многоэлементной гидроакустической антенны содержит прямоугольную поляризованную пьезокерамическую пластину, высота h которой составляет половину длины волны в теле пластины на частоте резонанса, с электродами на рабочих боковых поверхностях для подключения к электронным узлам формирования излучаемого и принимаемого сигналов.
Согласно полезной модели рабочие боковые поверхности пьезокерамической пластины имеют сплошные электроды, направление поляризации P перпендикулярно плоскости электродов, а длина b и высота h пьезокерамической пластины связаны соотношением
(1).
В предпочтительном исполнении пьезокерамическая пластина выполнена из пьезокерамического материала на основе цирконата титаната свинца.
Выполнение преобразователя в виде прямоугольной пластины с электродами на большей боковой поверхности, поляризации пластины в направлении перпендикулярном плоскости электродов и обеспечении требований соотношения (1) для длины и высоты пластины приводит, во-первых, к тому, что в преобразовании электрической энергии в механическую и обратно участвует весь объем пьезоактивного тела, а не 1/3 объема, как у прототипа. Во-вторых, преобразование энергии осуществляется не только на продольной моде колебаний, но и на поперечной. Все это приводит к увеличению энергии механических колебаний пластины, а следовательно, к повышению чувствительности преобразователя.
Сущность заявляемого пьезоэлектрического преобразователя поясняется фигурами чертежей и таблицей.
На фиг. 1 приведен схематический чертеж пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя, где Р - направление вектора поляризации, b - длина, h - высота, а - ширина пьезокерамической пластины и стрелками вверху показано направление колебаний, соответствующего направлению излучения в рабочую среду.
На фиг. 2 приведен пример установки преобразователей в многоэлементную антенну.
На фиг. 3 показан график зависимости чувствительности Т преобразователя в режиме излучения от соотношения пьезоэлектрической пластины, полученный методом математического моделирования.
На фиг. 4 представлен график зависимости чувствительности М пьезоэлектрического преобразователя в режиме приема в зависимости от соотношения  пьезоэлектрической пластины, полученный методом математического моделирования.
В таблице приведены сравнительные технические характеристики заявляемого и известных пьезоэлектрических преобразователей для многоэлементной гидроакустической антенны.
Пьезоэлектрический гидроакустический преобразователь (фиг. 1) содержит пьезокерамическую пластину 1 высотой h, длиной b и шириной a. На широкие боковые поверхности пластины 1 нанесены электроды 2. Направление поляризации  перпендикулярно плоскости электродов 2. Стрелками в направлении перпендикулярном длине b показано направление излучения акустического сигнала, обусловленного генерированием механических колебаний пьезоэлектрической пластины при подаче электрического сигнала на электроды 2. Длина b и высота h пьезокерамической пластины связаны соотношением 0,9≤b/h≤2,4. Конкретные размеры пластины для рабочей частоты  выбираются следующим образом.
Высота h (резонансный размер) должна удовлетворять следующему соотношению:
, (2)
где  - длина волны в пьезоматериале, из которого изготовлена пластина;
- скорость звука в пьезоматериале;
- рабочая частота антенны (частота резонанса пластины).
Поскольку преобразователи многоэлементных гидроакустических антенн должны иметь широкую диаграмму направленности в плоскости, перпендикулярной длине, поперечный размер преобразователя должен быть значительно меньше длины волны  в воде. Следовательно, поперечный размер преобразователей (ширина), должен удовлетворять условию . На практике достаточно обеспечить . С учетом того, что скорость звука в пьезокерамике примерно в два раза больше скорости звука в воде, ширина пьезопластины должна соответствовать соотношению:
(3).
Длина b должна соответствовать соотношению (1):
.
Преобразователь работает следующим образом. В режиме излучения на электроды 2 преобразователя или токовыводы 3 установленного в антенну преобразователя (фиг. 2) подают электрический сигнал рабочей частоты, соответствующей резонансной частоте пластины. Этот сигнал в соответствии с законом пьезоэффекта преобразовывается в теле пьезопастины в механический, и пьезопластина начинает совершать резонансные механические колебания как на продольной, так и поперечной моде колебаний. Механические колебания передаются в соприкасающуюся с ним рабочую среду и излучают в нее акустический сигнал в направлении, показанном стрелками на Фиг.2.
В режиме приема на преобразователь со стороны рабочей среды воздействует акустический сигнал, и пьезопластина начинает совершать механические колебания, в результате чего в соответствии с законом пьезоэффекта на ее электродах 2 или токовыводах 3 появляется электрический потенциал.
Поскольку в предлагаемом преобразователе электроды 2 нанесены на всю боковую поверхность пьезопластины 1 как в режиме приема, так и в режиме излучения в механизме преобразования механической энергии в электрическую и наоборот используется весь объем пьезоплатины, изготовленной из пьезоактивного материала.
На Фиг. 2 показан пример многоэлементной антенны, изготовленной из описанных выше преобразователей. Пьзоэлектрические преобразователи 1 (пьезопластины) с электродами 2 установлены на общем основании 4. К электродам 2 припаяны токовыводы 3, предназначенные для подключения к электронным узлам формирования сигналов излучения и приема.
Заявляемый преобразователь изготавливается следующим образом. Для конкретной рабочей частоты в соответствии с соотношениями (1), (2) и (3) по известной технологии изготавливают пьзоэлектрическую пластину 1 из пьезоактивного материала, например, системы ЦТС. Затем методом вжигания на боковые поверхности наносят сплошные электроды 2, на которые подают высокое постоянное электрическое напряжение величиной не менее 1 кВ/мм, осуществляя при этом поляризацию пьезопластины в направлении, перпендикулярном плоскости электродов.
Покажем, что вышеописанный преобразователь обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, увеличение чувствительности пьезоэлектрического преобразователя, и, соответственно, антенны в целом.
Для исследования процесса колебаний пьезоэлектрической пластины конечных размеров было выполнено ее математическое моделирование методом конечных элементов с использованием пакета прикладных программ ANSYS Multiphysics. В результате получен график зависимости чувствительности Т, Па/Вм в режиме излучения от соотношения  пьезоэлектрической пластины (фиг. 3), и график зависимости чувствительности М, мА/Па в режиме приема от соотношения  пьезоэлектрической пластины (фиг. 4).
Из анализа графиков фиг. 3, 4 следует, что для b/h, удовлетворяющих соотношению , значение чувствительности Т в режиме излучения и чувствительности М в режиме приема имеют максимальные значения и не выходят за пределы, равные 0,7 от максимального значения.
Для проверки заявляемого технического решения повышения чувствительности заявляемого пьезоэлектрического преобразователя для многоэлементной гидроакустической антенны были изготовлены образцы прототипа, заявляемого преобразователя и наиболее часто используемого преобразователя [5]. Для удобства сравнения изготовленные образцы имели сопоставимые размеры. Все преобразователи были изготовлены из одного пьезоматериала ЦТС19 (ОСТ 11 0444-87) производства НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ. Исследуемые образцы преобразователей имели следующие размеры: заявляемый преобразователь a=3,7 мм; h=8,9 мм; b=12 мм; b/h=1,34; прототип a=3,7 мм; h=8,9 мм; b=12 мм; b/h=1,34 и известный преобразователь [5] a=b=3,7 мм; h=8,9 мм; b/h=0,41.
Измерения чувствительности образцов в режиме излучения и в режиме приема осуществлялось в гидроакустическом бассейне стандартным способом. Исследуемый образец устанавливался в измерительном гидроакустическом бассейне и подключался к электронному генератору, на выходе которого устанавливалось напряжение, равное 20В. Генерируемое преобразователем акустическое давление измерялось измерительным гидрофоном Брюль и Кьер, тип 3108, установленным в бассейне на расстоянии 1м от преобразователя. Чувствительность рассчитывалась как отношение измеренных величин акустического давления и подаваемого на преобразователь электрического напряжения.
Чувствительность преобразователя в режиме приема также измерялась в акустическом бассейне стандартным методом сравнения. В качестве меры сравнения также использовался измерительный гидрофон (тип3108). Измерения проводились следующим образом: испытуемый преобразователь и измерительный гидрофон поочередно устанавливались в одну и ту же точку акустического поля, создаваемого в бассейне вспомогательным излучателем, и измерялись величины электрических напряжений на электрическом выходе гидрофона и токосъемниках преобразователя, чувствительность М преобразователя рассчитывалась по формуле:
пр
г
г
пр
г
г
М=U⋅M/U, где U, U- напряжения на выходе преобразователя и измерительного гидрофона; М - чувствительность гидрофона, значение которой берется из паспорта гидрофона.
Результаты экспериментального исследования представлены в нижеприведенной таблице.
Таблица. Сравнительные технические характеристики заявляемого и известных пьезоэлектрических преобразователей для многоэлементной гидроакустической антенны.
№
Исследуемый образец
Параметры
Чувствительность в режиме излучения, Т, <img file="00000020.jpg" he="8" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000020.jpg" he="8" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Чувствительность в режиме приема, М, нА/Па
1
Известный преобразователь [5]. Преобразователь с размерами: b= a=3,7 мм, h=8,9мм, <img file="00000021.jpg" he="8" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000021.jpg" he="8" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" /> = 0,4
1,6
20
2
Прототип. Преобразователь с размерами: b=12 мм, a=3,7 мм, h=8,9 мм, <img file="00000021.jpg" he="8" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000021.jpg" he="8" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" /> = 1,34
2,4
26
3
Заявляемый преобразователь с размерами: b=12 мм, a=3,7 мм, h=8,9мм, <img file="00000021.jpg" he="8" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000021.jpg" he="8" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" /> = 1,34
6,2
108
Результаты, представленные в таблице, показывают, что заявляемый преобразователь имеет более чем в 2 раза большее значение чувствительности как в режиме излучения, так и в режиме приема.
Источники информации:
1. RU 2121771, МПК H04R 1/44, H04R17/00, опубл. 11.10.1998.
2. RU 2303336, МПК H04R 1/44, H04R 17/00, опубл. 20.07.2007.
3. RU 2167496, МПК H04B 13/00, H04R 1/44, опубл. 20.05.2001.
4. RU 2757358, МПК H04R 17/00, опубл. 14.10.2021.
5. Подводные электромеханические преобразователи. Справочник/Под редакцией В.В. Богородского. Л.- Судостроение, 1983 г., 248 с., стр.102.
6. RU 2087082, МПК H04R 1/44, H04R 17/00, опубл. 06.07.1989.
7. RU 2330389, МПК H04R 17/10, опубл. 27.07.2008 - прототип.
8. Б.С. Аронов. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. - Л. Энергоатомиздат, 1990 г., 272с.