Двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации акустических сигналов

Полезная модель относится к измерительным параметрическим излучателям, которые в условиях гидроакустического бассейна используются в качестве источника звуковых колебаний.
Уровень техники
Испытания и периодические проверки характеристик гидроакустической аппаратуры включают в себя трудоемкий процесс измерения параметров гидроакустических антенн, диапазон рабочих частот которых от нескольких сотен герц до нескольких сотен килогерц. При измерении параметров антенн в режиме приема в широком диапазоне частот приходится преодолевать технические трудности, в частности, необходим комплект штатных узкополосных интерференционных излучателей, размеры и вес которых становятся слишком большими. До настоящего времени в гидроакустических измерениях в качестве интерференционных излучателей звука в воде применяют пьезоэлектрические преобразователи с пьезоэлементом в виде сферических (цилиндрических) оболочек и пластин. Измерительные излучатели звукового давления должны отвечать специальным эксплуатационным требованиям: 1) высокая стабильность работы во времени при различных климатических условиях (атмосферное давление, температура, влажность); 2)большой динамический диапазон амплитуд градуировочного звукового давления; 3)широкий диапазон рабочих частот; 4) характеристика направленности измерительного излучателя должна содержать минимальное число добавочных лепестков в сформированном градуировочном акустическом поле (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. – Л.: Судостроение,1966, с.5 -14). В настоящее время в измерительной практике перспективно применение малогабаритных устройств, функционирующих на принципах нелинейной акустики и формирующих в измерительном объеме остронаправленное излучение в широкой полосе частот, – измерительных параметрических излучателей. Измерительные параметрические излучатели имеют преимущества в сравнении с интерференционными штатными излучателями: широкая полоса рабочих частот и плавная перестройки частоты в рабочем диапазоне, малые весогабаритные параметры пьезоэлектрических преобразователей для волн накачки, частотонезависимость угловой ширины основного лепестка и отсутствие бокового поля в характеристике направленности (ХН) параметрического излучателя в диапазоне рабочих сигналов рабочих частот.
Известен кавитирующий импульсный параметрический источник (пат. США №3964013 “Cavitating parametric underwater acoustic source”, William L. Konrad, Int.Cl H04В 11/00, G01S 9/66, опубл. 15.06.1976), применяемый в гидроакустических устройствах, который обладает в режиме излучения высокой пространственной избирательностью на генерируемой в водной среде низкочастотной компоненте спектра – волне разностной частоты, содержащий два генератора электрических колебаний, выходы которых через двойной балансный модулятор, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, и усилитель мощности соединены со входом пьезоэлектрического преобразователя, который снабжен элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Недостатками аналога являются невысокая надежность и стабильность функционирования пьезоэлектрического преобразователя параметрического источника, а также недостаточная помехозащищенность. Причинами недостатков являются: создающее мощные помехи интенсивное акустическое излучение, что приводит к снижению отношения сигнал/помеха на входе приемника; гидродинамические возмущения, порожденные кавитационными явлениями, постепенно повреждающие поверхности пьезоэлектрического преобразователя устройства, сокращая срок его эксплуатации; деформация пьезоэлементов вследствие функционирования в условиях высоких механических и электрических нагрузок, приводящая к смещению резонансной частоты пьезоэлектрического преобразователя и уменьшению частотного диапазона генерации волны разностной частоты за счет появления нелинейной зависимости деформации пьезоэлемента от величины приложенного к нему электрического поля.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора электрических колебаний, усилитель мощности, пьезоэлектрический преобразователь, снабженный элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Известен параметрический измерительный излучатель для гидроакустических бассейнов (Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. – Л.: Судостроение, 1981. – 264 с.), содержащий два генератора электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор, импульсный  модулятор, управляемый импульсным генератором, а также усилитель мощности и режекторный фильтр соединены со входом пьезоэлектрического преобразователя, снабженного элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем, излучающая апертура последнего является участком выпуклого пьезоэлемента-пластины.
К недостаткам аналога можно отнести ограниченность диапазона рабочих частот градуировочных сигналов низкочастотной областью, сниженный коэффициент преобразования генерируемого разностного сигнала из ультразвуковых сигналов накачки, а также отсутствие  обеспечения удельной  акустической  мощности  сигналов накачки в водной среде. Причинами являются: выпуклая сферическая форма излучающей поверхности; использование только спектральных составляющих разностной частоты, в то время как в нелинейной водной среде формируются и спектральные компоненты высокой частоты.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора электрических колебаний, линейный сумматор, импульсный модулятор, импульсный генератор, усилитель мощности, режекторный фильтр, пьезоэлектрический преобразователь, снабженный элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Известен акустический параметрический излучатель (пат. США № 4320474 “Saturation limited parametric sonar source”, Huckabay et al, МКИ H04В 1/02, опубл. 16.03.1982), принятый в качестве ближайшего аналога, содержащий два генератора электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор, импульсный  модулятор, управляемый импульсным генератором, а также усилитель мощности, с выхода которого мощный электрический сигнал подается на входы двух идентичных пьезоэлектрических преобразователей, пьезоэлементы-пластины которых имеют плоские поверхности круглой формы радиусом (d/2) каждый, апертуры которых находятся в одной плоскости, причем, их фазово-геометрические центры смещены на расстояние 2d друг от друга, а также снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Недостатками ближайшего аналога являются низкая надежность и стабильность функционирования пьезоэлектрических преобразователей параметрического источника, невысокая эффективность генерации градуировочных звуковых колебаний звукового давления в небольшом диапазоне рабочих сигналов разностной частоты. Причинами являются поперечно-пространственное разнесение центров апертур двух пьезоэлектрических преобразователей с плоскими дисковыми пьезоэлементами-пластинами; отсутствие возможности изменения взаимного расположения двух идентичных пьезоэлектрических преобразователей с плоским дисковым пьезоэлементом-пластиной; ограничение усталостно-прочностными свойствами пьезокерамики эффективности преобразования электрической энергии в акустическую.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор электрических колебаний, усилитель мощности, пьезоэлектрический преобразователь, снабженный элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является создание  двухэлементного  электроакустического преобразователя для параметрической генерации акустических сигналов, обладающего расширенными  эксплуатационными  возможностями, заключающимися  в способности генерации в нелинейной водной среде градуировочных звуковых колебаний в широком диапазоне изменения рабочих амплитуд их звукового давления.
Технический результат полезной модели заключается в повышении амплитуды звукового давления компонент полигармонического сигнала результирующего ультразвукового градуировочного поля в гидроакустическом бассейне за счет сфазированного сложения в заданной области нелинейной водной среды акустической мощности бигармонических сигналов накачки, что позволяет повысить достоверность результатов измерений за счет снижения уровня маскирующего шума.
Технический результат достигается тем, что в параметрический измерительный излучатель, содержащий два генератора электрических колебаний с частотами, выходы которых через линейный сумматор, импульсный  модулятор, управляемый импульсным генератором, а также усилитель мощности, выход которого соединен со входом пьезоэлектрического преобразователя, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность круглой формы, дополнительно введен подключенный к выходу усилителя мощности второй пьезоэлектрический преобразователь, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность кольцеобразной формы, причем первый преобразователь расположен внутри второго.
Целесообразно исполнение пьезоэлектрических преобразователей таким образом, чтобы величина внутреннего диаметра кольцеобразной плоской поверхности пьезоэлемента второго преобразователя совпадала с величиной диаметра круглой плоской поверхности пьезоэлемента первого преобразователя, а внешний диаметр кольцеобразной плоской поверхности пьезоэлемента второго преобразователя определялся условием равенства площадей излучающих поверхностей преобразователей, т. е.:
, где:
- внешний диаметр кольцеобразной плоской поверхности второго преобразователя;
- внутренний диаметр кольцеобразной плоской поверхности второго преобразователя.
Рационально в двухэлементном электроакустическом преобразователе для параметрической генерации ультразвука первый и второй пьезоэлектрические преобразователи расположить в несущей конструкции цилиндрической формы, выполненной с возможностью обеспечения юстировки, т.е. регулировки совмещения в пространстве как акустических осей, так и излучающих поверхностей пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей.
Рационально в двухэлементном электроакустическом преобразователе для параметрической генерации ультразвука первый и второй пьезоэлектрические преобразователи снабдить элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
На Фиг. 1 приведена структурная схема двухэлементного электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука со схематическим изображением конструкции пьезоэлектрических преобразователей.
На Фиг. 2 показаны экспериментальные результаты измерения осевых распределений амплитуд звукового давления для сигнала разностной частоты
На Фиг. 3 представлены экспериментальные результаты измерения величин изменения амплитуды звукового давления для сигналов разностной частотыи .
Двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации ультразвука содержит первый 1 и второй 3 генераторы электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор 2, импульсный модулятор 4, управляемый импульсным генератором 5, а также усилитель мощности 6 соединены со входами  первого пьезоэлектрического преобразователя 7, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность круглой формы,  и второго  пьезоэлектрического преобразователя 8, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность кольцевой формы, внутренний диаметр которой совпадает с диаметром плоского пьезоэлемента первого пьезоэлектрического преобразователя, а внешний диаметр  определяется условием равенства излучающих площадей пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей, т.е.  и несущую конструкцию цилиндрической формы 9, которая может в одном из вариантов реализации устройства   объединять  в единое целое пьезоэлектрические преобразователи 7 и 8. Несущая конструкция 9 цилиндрической формы обеспечивает возможность юстировки, т.е. точной регулировки совмещения в пространстве как акустических осей, так и излучающих поверхностей пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей 7, 8. Пьезоэлементы возбуждаются электрическими сигналами с частотами находящимися в их полосе пропускания. Принцип построения несущих конструкций, обеспечивающих юстировку акустической системы, и способы прецизионного изменения расстояния между преобразователями известны и применяются в методах ультразвуковой интерферометрии (см. Специальный физический практикум, ч.1 3-е изд., М., Изд-во Моск. ун-та,1977, с.309-317, Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямина. – М.: «Сов. Энциклопедия»,1979. С.151-153).
Двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации ультразвука работает следующим образом. Генераторы 1, 3 вырабатывают электрические сигналы с частотами поступающие через линейный сумматор 2 на вход импульсного модулятора 4, управляемого импульсным генератором 5. С выхода импульсного модулятора 4 радиоимпульс с бигармоническим заполнением (биения электрических колебаний близких частотнаходящихся в полосе пропускания пьезоэлектрических преобразователей 7, 8, (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямина. – М.: «Сов. Энциклопедия»,1979. С.51-52) через усилитель мощности 6 поступает на входы пьезоэлектрических преобразователей 7, 8, пьезоэлементы которых имеют плоскую поверхность круглой формы и плоскую поверхность кольцевой формы соответственно. Внутренний диаметр кольца совпадает с диаметром плоского пьезоэлемента первого пьезоэлектрического преобразователя 7, а внешний диаметр определяется условием равенства излучающих площадей пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей 7 и 8, т.е. , оба пьезоэлектрических преобразователя 7 и 8 снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции. Пьезоэлементы пьезоэлектрических преобразователей 7 и 8 колеблются на основной толщиной моде в режиме одностороннего излучения и излучают мощные сигналы бигармонической накачки с близкими частотами находящимися в их полосах пропускания, которые формируют в водной среде характеристики направленности для акустических волн бигармонической накачки, имеющую круговую симметрию относительно оси, проходящей через их центры и перпендикулярно к середине плоских поверхностей. В силу пьезоэлектрических свойств пьезоэлементы пьезоэлектрических преобразователей 7, 8 будут изменять свои полуволновые толщины с частотами, равными частотам приложенных электрических сигналов, т.е. будут совершать колебания. Все точки поверхностей пьезоэлементов колеблются синфазно и с одинаковой амплитудой. Эти колебания передаются в водную среду и распространяются в виде сгущений и разряжений продольной волны. Водная среда обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к появлению эффектов как самовоздействия, так и взаимодействия при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны (см. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков//Акустика морских осадков/ Пер. с англ.; Под ред. Ю. Ю. Житковского. – М.: Мир, 1977. – с. 227 – 273). Воздействие нелинейного изменения упругих свойств воды на характеристики мощного импульсного сигнала накачки в области распространения проявляется в параметрической генерации градуировочных ультразвуковых сигналов как разностной , так и суммарной  частот, вторых гармоник волн накачки , что справедливо для акустических полей, формируемых обоими пьезоэлектрическими преобразователями 7, 8. Заявляемая  полезная модель реализует способ суперпозиции амплитуд звуковых давлений сформированных градуировочных ультразвуковых сигналов, проявляющийся при совпадении для них как волновых фронтов, так и фаз колебаний.
Примеры осуществления
Изложенный принцип построения двухэлементного электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука был реализован в конструкции макета составного излучателя, включающего пьезоэлектрические поршневые преобразователи, пьезопластины которых в соответствии с полезной моделью – плоский диск, размещенный концентрически внутри плоского кольца (диаметр диска 12 мм, для кольца – внешний 24 мм, внутренний 13 мм, центральная резонансная частота 1,06 МГц.).  Для нелинейной генерации волны разностной частоты=50 кГц использовались сигналы накачки с частотами1035 кГц, 1085 кГц, эксперименты проводились также для волн разностных частот 25 кГц, 75 кГц.
На фиг. 2 представлены экспериментальные результаты измерения осевых распределений амплитуд звукового давления для сигнала разностной частоты50 кГц в области коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия мощных сигналов накачки с частотами1085 кГц, 1035 кГц на акустической оси предлагаемого двухэлементного электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука (кривая 3), а также при раздельном функционировании его составных частей: второго пьезоэлектрического преобразователя 8, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность кольцевой формы (кривая 1),  первого пьезоэлектрического преобразователя 7, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность круглой формы (кривая 2). Как следует из сопоставления графиков, предлагаемый рабочий режим полезной модели приводит в дальней зоне к увеличению амплитуды звукового градуировочного сигнала на (4 – 5) дБ.
На фиг. 3 представлены экспериментальные результаты измерения величин изменения амплитуды звукового давления для сигналов разностной частоты25 кГц и 50 кГц в дальней зоне макета составного излучателя за счет введения расфазировки сформированных градуировочных ультразвуковых сигналов. Расфазировка осуществляется путем продольного перемещения друг относительно друга плоского диска (пьезоэлектрический преобразователь 7), размещенного концентрически внутри плоского кольца (пьезоэлектрический преобразователь 8), и эквивалентна введению фазового сдвига между бигармоническими сигналами накачки, излучаемыми указанными элементами макета. Как следует из фиг. 3, для каждого градуировочного сигнала разностной частоты наблюдаются периодические области максимумов и минимумов, период изменений равен периоду биений. Высокочастотный сигнал, имеющийся на записях (фиг. 3) имеет место вследствие электрической наводки и недостаточной фильтрации. Таким образом, путем продольного перемещения составных элементов можно осуществлять точную настройку устройства, т.е. регулировать эффективность нелинейной генерации градуировочных ультразвуковых сигналов. В полезной модели предусмотрено отсутствие расфазировки между бигармоническими сигналами накачки за счет того, что несущая конструкция цилиндрической формы выполнена с возможностью совмещения в пространстве как акустических осей, так и излучающих поверхностей пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей 7,8.
Анализ представленных выше экспериментальных результатов позволяет сделать следующие выводы – заявляемый двухэлементный  электроакустический преобразователь для параметрической генерации ультразвука удовлетворяет как минимум следующим специальным эксплуатационным требованиям: большой динамический диапазон амплитуд градуировочного звукового давления, широкий диапазон рабочих частот, характеристика направленности измерительного излучателя  содержит минимальное число добавочных лепестков в сформированном градуировочном акустическом поле. Следует отметить, что пространственные распределения амплитуд звукового давления для акустических полей сигналов разностных частот, формируемых электроакустическим преобразователем для параметрической генерации ультразвука, оптимально  соответствуют еще одному эксплуатационному требованию для сформированного градуировочного поля: монотонности и равномерности изменений амплитуд звукового давления как в продольном, так и поперечном направлениях водного объема гидроакустического бассейна, что позволяет размещать градуируемые приемники достаточно близко к устройству. Исходя из этого, можно предположить, что практическое использование предлагаемого электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука в качестве измерительного в условиях гидроакустических бассейнов ограниченных размеров помимо вышеуказанных преимуществ позволит уменьшить весогабаритные параметры гидроакустических бассейнов.
Необходимо подчеркнуть, что увеличение амплитуды звукового давления компонент градуировочного сигнала результирующего ультразвукового поля в измерительном объеме гидроакустического бассейна приводит к повышению достоверности результатов измерений. Следует отметить, что при акустических измерениях кроме полезного сигнала, на приемный канал воздействуют сигналы, создающие трудности при проведении измерений, так как они искажают или маскируют полезный сигнал. Так, как правило, при акустических измерениях уровень сигнала (измеряемый вместе с помехой) должен быть на 10-15 дБ больше уровня помехи (измеряемой при отсутствии сигнала), причем, наиболее трудно устранить реверберационную помеху, т.е. шум, создаваемым рассеянным полезным сигналом. Однако заявляемый двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации позволяет и в этом случае получить выигрыш за счет повышения направленности и отсутствия бокового излучения.
Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в области акустических  измерений, в частности, в измерительных  излучателях звукового давления, которые в условиях гидроакустического бассейна могут быть использованы  в качестве источника звуковых колебаний с высокой амплитудой  звукового давления,  что позволяет повысить достоверность результатов измерений и снизить трудности их получении за счет снижения уровня маскирующего шума.