Широкополосный гидроакустический пьезопреобразователь
BROADBAND HYDROACOUSTIC PIEZOELECTRIC TRANSDUCER

Изобретение относиться к гидроакустике и может быть использовано при разработке низкочастотных пьезопреобразователей, способных работать в режиме излучения - приема в широкой полосе частот с минимальной величиной мертвой зоны в режиме приема.
Известен гидроакустический излучатель (Носов В.Н. Новые акустические преобразователи с односторонней направленностью колебаний для геофизических работ. М. 1988, М-во геологии СССР, Межотраслевой научно-технический комплекс «Геос», ВНИИ геоинформсистем, с. 14, рис. 5б), содержащий корпус, активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб, коническую фронтальную и тыльную накладки, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь. В таком излучателе понижение резонансной частоты определяется совместным влиянием тыльной накладки и фронтальной конической накладки, а эффективность излучения увеличена за счет трансформирующих свойств конической фронтальной накладки и уменьшения массы тыльной накладки.
Недостаток излучателя - слабая направленность, обусловленная излучением корпуса, жестко связанного фланцевым соединением с излучающей фронтальной накладкой, малая рабочая полоса частот и сравнительно большие размеры.
1
1
1
Известен также широкополосный гидроакустический излучатель (Патент РФ №2071184, МПК H04R 1/44, H04R 17/00, опубликован 27.12.1996 г.), содержащий корпус, активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб, поляризованных по толщине, помещенный между конический фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь, набор пьезокерамических шайб разделен гибкими пассивными прокладками на семь секций, толщины которых относятся как числа 5:2:2:1:1:1:1. Толщина каждой прокладки d=(0.25-0.3)d, где d - толщина секции наименьшей толщины, причем к фронтальной конической накладке обращена секция наибольшей толщины, отношение диаметра большего основания к диаметру меньшего основания равно 2-2.5, резонансная частота фронтальной конической накладки  где f - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, а соединение фронтальной конической накладки и корпуса излучателя выполнено гибким.
Такое конструктивное исполнение излучателя позволило существенно уменьшить его габариты и вес за счет применения гибких пассивных прокладок при сохранении достаточно высокой эффективности его работы, которая неизбежно уменьшается при введении гибких пассивных прокладок. В этом излучателе гибкие прокладки сосредоточены в основном в тыльном звене активного элемента, где малы пьезонапряжения, и отсутствуют во фронтальном звене, где пьезонапряжения достигают максимального значения, поэтому эффективный коэффициент электромеханического преобразования уменьшается незначительно в сравнении с монолитным пьезоэлементом. Кроме того, введение гибких прокладок позволяет уменьшить жесткость активного элемента, а следовательно, и его добротность на резонансных частотах и расширить полосу рабочих частот. Направленность излучателя улучшена за счет применения гибкой развязки корпуса от излучающей фронтальной накладки и уменьшению тыльного излучения.
Недостатком данного излучателя является малая рабочая полоса частот, а также большая мертвая зона в случае, если один и тот же пьезопреобразователь используется как в режиме излучения, так и в режиме приема, т.е. в эхо-режиме.
1
1
1
2
п2
4
4
5
5
В основу изобретения поставлена задача разработки широкополосного пьезопреобразователя, способного работать в режиме излучения - приема, т.е. в эхо-режиме, с малой величиной мертвой зоны, а также задача дальнейшего расширения рабочей полосы частот. Поставленная задача решается тем, что в широкополосном гидроакустическом пьезопреобразователе, содержащем корпус, активный элемент в виде вертикального набора поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, помещенный между конический фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь, набор пьезокерамических шайб разделен гибкими пассивными прокладками на семь секций, толщины которых относятся как числа 5:2:2:1:1:1:1, причем толщина каждой прокладки d=(0.25-0.3)d, где d - толщина секции наименьшей толщины, причем к фронтальной конической накладке обращена секция наибольшей толщины, отношение диаметра большего основания к диаметру меньшего основания равно 2-2.5, резонансная частота фронтальной конической накладки  где f - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, а соединение фронтальной конической накладки и корпуса излучателя выполнено гибким, каждая гибкая пассивная прокладка дополнена двумя поляризованными по толщине пьезоэлектрическими шайбами из пьезополимерной пленки, например, на основе поливинилиденфторида (ПВДФ), образующими два набора пьезоэлектрических шайб. Каждая пьезоэлектрическая шайба из пьезополимерной пленки первого набора, соединена акустически с верхней поверхностью каждой из набора гибких пассивных прокладок и нижней поверхностью соседней секции из пьзокерамических шайб. Каждая пьезоэлектрическая шайба из пьезополимерной пленки второго набора, соединена акустически с нижней поверхностью каждой из набора гибких пассивных прокладок и с верхней поверхностью соседней секции из пьезокерамических шайб. Все пьезокерамические шайбы соединены электрически параллельно и подключены через согласующее звено к выходу усилителя мощности. Все пьезоэлектрические шайбы из пьезополимерной пленки первого набора соединены электрически параллельно и подключены к индуктивности L, образующей с емкостью С пьезоэлектрических шайб контур с резонансной частотой  Все пьезоэлектрические шайбы из пьезополимерной пленки второго набора соединены электрически параллельно и подключены через согласующее звено ко входу приемника. Между электрическим выходом набора пьезокерамических шайб и электрическим выходом первого набора пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки включена перестраиваемая индуктивность L, образующая с паразитной емкостью С, обусловленной электромеханической связью набора пьезокерамических шайб и первого набора пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки, фильтр - пробку с резонансной частотой  Между электрическим выходом первого набора пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки и электрическим выходом второго набора пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки включена перестраиваемая индуктивность L, образующая с паразитной емкостью С, обусловленной электромеханической связью первого набора пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки и второго набора пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки, фильтр - пробку с резонансной частотой
2
п2
В предлагаемом пьезопреобразователе сформированы три резонансные частоты:  причем резонанс  сформирован с использованием первого набора пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки и индуктивности L, образующей с емкостью С пьезоэлектрических шайб резонансный контур. В сравнении с прототипом в частотную характеристику пьезопреобразователя внесен за счет электромеханической связи дополнительный резонанс  расширяющий рабочую полосу частот в сторону низких частот и повышающий эффективность работы пьезопреобразователя в широкой полосе частот. Использование второго набора пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки, подключенных через согласующее звено ко входу приемника, позволяет исключить прямую электрическую связь между выходом усилителя мощности при работе в режиме излучения и входом приемного тракта при работе в режиме приема. Кроме того, включение в электрическую схему двух фильтров позволяет уменьшить паразитную электромеханическую связь между выходом усилителя мощности при работе в режиме излучения и входом приемного тракта при работе в режиме приема. Эти новые существенные признаки предлагаемого пьезопреобразователя в совокупности позволяют уменьшить мертвую зону при работе широкополосного гидроакустического пьезопреобразователя в эхо - режиме, например, при его использовании в составе акустического профилографа.
Таким образом, широкополосный гидроакустический пьезопреобразователь в новой совокупности существенных признаков обладает большей рабочей полосой частот и способен работать в эхо - режиме с малой величиной мертвой зоны, по своим характеристикам превосходит известные пьезоэлектрические преобразователи, а совокупность существенных признаков изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом.
Сущность изобретения поясняется чертежами. Фиг. 1 поясняет конструкцию широкополосного гидроакустического пьезопреобразователя. Фиг. 2 поясняет схему акустического соединения гибкой пассивной прокладки, пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки двух наборов и соседних секций из пьезокерамических шайб, а также схему электрического соединения пар встречно поляризованных пьезокерамических шайб и пар встречно поляризованных пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки. Фиг 3 поясняет схему подключения пьезопреобразователя к выходу усилителя мощности при работе в режиме излучения и ко входу приемника при работе в режиме приема.
Пьезопреобразователь содержит активный элемент 1, состоящий из секций 2 и гибких пассивных прокладок 3, фронтальную коническую накладку 4, стягивающий болт 5 с гайкой 6, корпус 7, соединенный с фронтальной конической накладкой через гибкие прокладки 8, герметизирующее кольцо 9, тыльную накладку 10, внутреннее заполнение 11, пьезоэлектрические шайбы из пьезополимерной пленки первого набора 12 и пьезоэлектрические шайбы из пьезополимерной пленки второго набора 13.
1
Первая секция 2 образует фронтальное звено, нагруженное непосредственно на фронтальную накладку 4. Она набрана из пьезокерамических шайб, поляризованных по толщине, имеет максимальный коэффициент электромеханического преобразования, максимальные акустическую жесткость и скорость звука. Последующие две секции 2 совместно с тремя гибкими пассивными прокладками 3 и пьезоэлектрическими шайбами из пьезополимерной пленки 12, 13 между ними образуют промежуточное звено с пониженными значениями коэффициента электромеханического преобразования, акустической жесткости и эффективной скорости звука. Последующие четыре секции 2 с тремя гибкими пассивными прокладками 3 и пьезоэлектрическими шайбами из пьезополимерной пленки 12, 13 между ними образуют тыльное звено с пониженными значениями коэффициента электромеханического преобразования, акустической жесткости и эффективной скорости звука. Суммарная длина каждого из трех звеньев активного элемента 1 примерно одна и та же. Эффективная жесткость активного элемента 1 в целом уменьшена в 3-4 раза в сравнении с жесткостью монолитного активного элемента из пьезокерамики, а рабочая полоса частот активного элемента 1 в окрестности резонансной частоты f увеличена в (1.5-2.0) раза.
1
эфф
эфф
п2
2
Резонансная частота продольных колебаний активного элемента 1 определяет верхнюю частоту рабочей полосы частот f=с/2L, где с - эффективная скорость звука в материале активного элемента 1, L - длина активного элемента. Фронтальная коническая накладка 4 выполнена в виде пластины с коническим переходом от основания малого диаметра, обращенного к активному элементу 1, к основанию большого диаметра, нагруженному на рабочую среду. Резонансная частота изгибных колебаний фронтальной конической накладки определяет среднюю частоту  рабочей полосы частот. Емкость С пьезоэлектрических шайб 12 из пьезополимерной пленки первого набора, включенных параллельно, совместно с подключенной индуктивностью L образуют электрический контур с резонансной частотой , которая за счет электромеханической связи является также и резонансной частотой активного элемента 1. Три сформированные таким образом резонансные частоты:  определяют расширенную по сравнению с прототипом рабочую полосу частот шириной более октавы. Внутреннее заполнение 11 объема излучателя жидкостью, например, трансформаторным маслом, играет роль элемента упругой связи в 3-резонансной колебательной системе, рабочие полосы в которой вблизи отдельных связанных резонансов перекрываются.
На фиг. 2 представлена схема электрического соединения пар встречно поляризованных пьезокерамических шайб, соединенных параллельно и подключенных к электрическому выходу 14, пар встречно поляризованных пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки первого набора, соединенных параллельно и подключенных к электрическому выходу 15, и пар встречно поляризованных пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки второго набора, соединенных параллельно и подключенных к электрическому выходу 16. Электрический выход 17 является общим электродом для всех элементов электрической схемы.
На фиг. 3 представлена схема электрического подключения широкополосного пьезопреобразователя, работающего в режиме излучения - приема. На схеме приняты обозначения:
п1
1
1
п1
С - емкость параллельно соединенных секций из пьезокерамических шайб с электрическим выходом 14, подключенных к усилителю мощности через согласующий элемент Z, в качестве которого, например, может быть индуктивность L, образующая с емкостью С электрический контур с резонансной частотой
п2
2
С - емкость параллельно соединенных пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки первого набора с электрическим выходом 15, образующая с индуктивностью L резонансный контур с резонансной частотой
п3
3
3
п3
С - емкость параллельно соединенных пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки второго набора с электрическим выходом 16, подключенная через согласующий элемент Zна вход приемного тракта, в качестве которого, например, может быть индуктивность L, образующая с емкостью С резонансный контур с резонансной частотой
4
4
С - паразитная емкость, образующая с перестраиваемой индуктивностью L резонансный контур с резонансной частотой
5
5
С - паразитная емкость, образующая с перестраиваемой индуктивностью Lрезонансный контур с резонансной частотой
4
5
4
5
Перестраиваемые индуктивности L, L настраиваются с паразитными емкостями С, С на минимум коэффициента передачи по напряжению из входной цепи усилителя мощности при работе в режиме излучения, во входную цепь приемника при работе в режиме приема на средней частоте рабочего диапазона частот
1
2
3
1
2
3
п1
п2
п3
3
1
3
Широкополосный гидроакустический пьезопреобразователь работает следующим образом. При работе широкополосного гидроакустического пьезопреобразователя в режиме излучения при подаче рабочего напряжения на активный элемент 1 в нем возникают механические колебания на резонансных частотах колебательной системы, которые равномерно распределены в рабочем диапазоне частот  Амплитуда колебаний в окрестности каждой из резонансных частот зависит от настройки согласующих элементов Z, L, Z. Для увеличения амплитуды колебаний на самой низкой частоте рабочего диапазона все согласующие элементы, в качестве которых в предлагаемом пьезопреобразователе могут быть использованы, например, индуктивности L, L, L настраиваются с соответствующими емкостями С, С, С на нижнюю частоту рабочего диапазона частот f, на которой коэффициент электромеханического преобразования является наименьшим. С увеличением частоты увеличивается коэффициент электромеханического преобразования, который становится максимальным на частоте продольных колебаний активного элемента f, чем и достигается равномерное распределение амплитуды колебаний в расширенном в сравнении с прототипом рабочем диапазоне частот. При работе широкополосного гидроакустического пьезопреобразователя в режиме приема падающая акустическая волна возбуждает механические колебания в активном элементе 1 на резонансных частотах, распределенных в рабочем диапазоне частот  Эти колебания возбуждают электрическое напряжение на электрическом выходе 16 пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки 13, которое поступает через согласующее звено Z на вход приемника.
4
4
2
5
5
2
4
5
4
5
Для уменьшения паразитной связи между усилителем мощности при работе широкополосного гидроакустического пьезопреобразователя в режиме излучения и приемником при работе широкополосного гидроакустического пьезопреобразователя в режиме приема между электрическим выходом соединенных параллельно пьезокерамичеких шайб и электрическим выходом соединенных параллельно пьезоэлектричеких шайб из пьезополимерной пленки первого набора включена перестраиваемая индуктивность L, образующая с паразитной емкостью С контур с резонансной частотой f. Аналогичным образом, для уменьшения паразитной связи между электрическим выходом соединенных параллельно пьезоэлектричеких шайб из пьезополимерной пленки первого набора и между электрическим выходом соединенных параллельно пьезоэлектричеких шайб из пьезополимерной пленки второго набора включена перестраиваемая индуктивность L, образующая с паразитной емкостью С контур с резонансной частотой f. Перестраиваемые индуктивности L, L настраиваются с паразитными емкостями С, С на минимум коэффициента передачи по напряжению из входной цепи усилителя мощности при работе в режиме излучения, во входную цепь приемника при работе в режиме приема на средней частоте рабочего диапазона частот  Уменьшение паразитной связи обеспечивает уменьшение мертвой зоны при работе широкополосного пьезопреобразователя в режиме излучения-приема, т.е. в эхо-режиме.