УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к области акустического приборостроения, а именно к построению и возбуждению электроакустических преобразователей, способных формировать широкополосные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), а также - сравнительно короткие, перестраиваемые по частоте, акустические сигналы, и может найти применение в качестве элементов антенн навигационных и рыбопоисковых станций, в системах звукоподводной связи, а также - для решения ряда задач в дефектоскопии.
Стержневые преобразователи используются во многих акустических системах благодаря удобству их компоновки в антеннах.
Вопросы расширения полосы пропускания и связанные с ними задачи излучения коротких акустических импульсов являются важными для акустического приборостроения. Основными методами расширения полосы пропускания преобразователей являются: использование согласующих фронтальных слоев (накладок), использование корректирующих пассивных или активных электрических цепей в схемах возбуждения преобразователя, использование различных мод колебаний в одном преобразователе и разночастотных преобразователей в антенне [Гидроакустическая энциклопедия под ред. В.И. Тимошенко, Изд. ТГРУ, 1999, Широкополосность преобразователей, с. 696-697]. Большинство этих методов применимо к разным колебательным системам преобразователей и в частности к стержневым преобразователям, которые используются для решения различных задач как в гидроакустике, так и в дефектоскопии.
Наиболее распространенным является преобразователь, содержащий пьезоактивный стержень, в котором все его части подключены к источнику питания, возбуждаются 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 №2147797 РФ «Малогабаритный широкополосный гидроакустический излучатель» / Касаткин Б.А., Касаткин С.Б., Публ. 20.04.2000, H04R 1/44, 17/00] или корректирующими электрическими цепями, включаемых 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 преобразователь типа "Tonpilz" [Патент №4752918 США «Электроакустический преобразователь» / Didier Boucher и др., 1988, HL01 41/08, H04R 17/00, Н04В 13/00], пьезоактивный секционированный стержень которого 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.
Во всех указанных решениях, даже при наличии сравнительно широкополосной АЧХ излучения в полосе пропускания преобразователя, его фазо-частотная характеристика (ФЧХ) излучения не является линейной. Последнее обстоятельство ограничивает возможность формирования с помощью указанных решений коротких акустических импульсов.
Для излучения коротких импульсных сигналов, помимо общего требования к широкополосности АЧХ преобразователей, известны также методы, базирующиеся на возбуждении их электрическими импульсами специальной формы. Так в работах [Задириенко И.М., Кузьменко А.Г. Излучение коротких акустических импульсов стержневыми пьезокерамическими преобразователями при возбуждении электрическими сигналами сложной формы // Акуст. журн., 1984, т. 30, №3, С. 328-330 и Коновалов С.И., Кузьменко А.Г. О возможности сокращения длительности переходного процесса в акустическом преобразователе при помощи компенсирующего электрического импульса // Дефектоскопия, 2014; №7, с. 12-18.] рассматривалась возможность формирования коротких акустических импульсов с помощью определенной последовательности возбуждающих импульсов (полупериодов), компенсирующих импульсы, которые отражаются от тыльной границы преобразователя (пьезоэлемента), противоположной излучающей. Согласно результатам выполненных авторами расчетов могут быть получены акустические импульсы длительностью в один период, но только на резонансной частоте используемого пьезоэлемента. Кроме того, амплитуда этих импульсов в несколько раз меньше амплитуды при гармоническом возбуждении, поскольку в результате такой компенсации остаются только два первых полупериода колебаний переходного процесса, определяемого сравнительно небольшой полосой пропускания преобразователя.
ф
ф
k
c
ф
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство формирования акустических импульсов, представленное в Патенте на полезную модель РФ №119552 «Широкополосный стержневой гидроакустический преобразователь» / Степанов Б.Г., Публ. 20.08.2012, БИ №23, H04R 1/44, 17/00. Этот преобразователь, содержит пьезоактивный стержень электрически разделенный на две части, тыльную и фронтальную пассивные накладки и двухканальный генератор сигналов, причем генератор сигналов подключен к преобразователю таким образом, что один из выходов генератора сигналов соединен с тыльной частью пьезоактивного стержня через блок фазовой коррекции, блок управления амплитудой, предварительный усилитель и усилитель мощности, а второй выход генератора сигналов соединен с фронтальной частью пьезоактивного стержня через предварительный усилитель и усилитель мощности, при этом значения удельного импеданса z и толщины l фронтальной накладки выбирают из условий:  и , 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.
Недостатком известного устройства является то, что, несмотря на широкополосную АЧХ излучения (до 2 октав), получающаяся ФЧХ излучения не является линейной. Последнее обстоятельство приводит к существенному искажению требуемой формы коротких акустических импульсов, которые должен излучить преобразователь (см., например, фиг. 5), и затрудняет перестройку этих импульсов по частоте в его рабочем диапазоне частот.
1
2
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в разработке такого устройства формирования акустических импульсов, которое позволяет формировать требуемые короткие (например, 1-1.5 периодов колебаний) акустические импульсы при минимальном их искажении с возможностью перестройки этих импульсов по частоте с сохранением их формы в достаточно широкой полосе частот. При этом, параметры накладок преобразователя и его нагрузочные характеристики могут варьироваться в широких пределах, поскольку их влияние учитывается при формировании электрических сигналов u(t) и u(t), подаваемых соответственно на 1 (фронтальную) и 2 (тыльную) части пьезоактивного стержня преобразователя, и определяемых по его заданным параметрам, АЧХ и ФЧХ излучения.
Указанная возможность перестройки по частоте коротких акустических импульсов с сохранением их формы позволяет существенно расширить возможности поисковых гидроакустических станций и систем звукоподводной связи, а также - ультразвуковых сравнительно низкочастотных дефектоскопов, предназначенных, например, для контроля композитных материалов.
1
2
1
2
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемой полезной модели так же, как в известном решении, устройство формирования акустических импульсов, содержит стержневой преобразователь, состоящий из пьезоактивного стержня, электрически разделенного на две части, его тыльной и фронтальной накладок, а также - двухканальный генераторный блок и согласующий усилитель и широкополосный усилитель мощности в каждом канале. Но, в отличие от известного решения, генераторный блок содержит цифровой блок формирования сигналов, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, на выходах которых соответственно сформированы сигналы возбуждения u(t) и u(t), причем сигнал u(t) соответствует виду сигнала, который должен излучить преобразователь, а сигнал u(t) является корректирующим, учитывающий структурные параметры преобразователя, его амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики излучения и параметры нагрузки, при этом выход первого цифроаналогового преобразователя через согласующий усилитель и широкополосный усилитель мощности соединен с фронтальной (1) частью пьезоактивного стержня, а выход второго цифроаналогового преобразователя через согласующий усилитель и широкополосный усилитель мощности соединен с тыльной (2) частью пьезоактивного стержня.
1
2
2
1
Достигаемый технический результат заключается в возможности уменьшения искажения требуемых коротких акустических импульсов и формирования их на разных частотах с сохранением собственной формы в достаточно широком диапазоне частот. Этот результат обеспечивается путем подачи на первую часть пьезоактивного стержня импульсного сигнала u(t), вид которого соответствует виду акустического импульса, который нужно излучить, а на вторую часть пьезоактивного стержня - импульсного сигнала u(t), который является корректирующим. Причем форма импульсного сигнала u(t) и его сдвиг по времени относительно сигнала u(t) находятся с учетом задаваемых АЧХ и ФЧХ излучения преобразователя, а также с учетом его структурных параметров и условий работы (например, нагруженности).
Совокупность признаков, сформулированных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует устройство, в котором цифровой блок формирования сигналов (ЦБФС) состоит из программно управляемого микропроцессора, соединенного с помощью шин передачи данных с программно-вычислительным устройством (например, персональным компьютером - ПК), дешифратором-синхронизатором и двухканальным оперативно-запоминающим устройством, к выходам которого подключаются цифроаналоговые преобразователи. Такое построение ЦБФС обеспечивает решение технической задачи и удобно для управления и перестройки требуемых импульсных сигналов.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
1
2
ак
На фиг. 1 показан пример выполнения устройства формирования акустических импульсов; на фиг. 2а - 4а показан вид электрических импульсов u(t) и u(t), подаваемых на фронтальную и тыльную части пьезоактивного стержня преобразователя для получения требуемого однопериодного акустического импульса на разных частотах его формирования; на фиг. 2б - 4б показан вид акустических импульсов s(t), которые формируются и излучаются на этих частотах с помощью предлагаемой полезной модели; на фиг. 5 показан акустический импульс сформированный устройством, принятым за прототип, при возбуждении его однопериодным импульсом на частоте, соответствующей фиг. 3.
1
2
1
2
1
2
Предлагаемое устройство формирования акустических импульсов содержит: фронтальную 1 и тыльную 2 части пьезоактивного стержня, фронтальную накладку 3 и тыльную накладку 4, программно-вычислительное устройство (персональный компьютер ПК) 5, которое через шины передачи данных соединено с программно управляемым микропроцессором (ПУМП) 6, дешифратором-синхронизатором (ДШ/С) 7 и с двухканальным оперативно-запоминающим устройством (ДКОЗУ) 8, выходы которого соединены с цифроаналоговыми преобразователями 9 (ЦАП и ЦАП), которые через идентичные согласующие усилители 10 (СУ и СУ) и широкополосные усилители мощности 11 (ШУМ и ШУМ) соединяются соответственно с фронтальной 1 и тыльной 2 частями пьезостержня.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Рассмотрим пример работы устройства формирования акустических импульсов. По заданным структурным параметрам стержневого преобразователя, его АЧХ излучения (как правило, равномерной в области предполагаемой перестройки по частоте коротких импульсов) и линейной ФЧХ излучения, а также заданному виду импульса, который требуется излучить, с помощью программно-вычислительного устройства (ПК) 5 и преобразования Фурье определяется цифровой эквивалент сигналов возбуждения u(t) и u(t). При этом вид сигнала возбуждения u(t) выбирается тем же, что и требуемый акустический импульс, а сигнал возбуждения u(t) становится корректирующим. Определенные таким образом сигналы возбуждения с помощью программно управляемого микропроцессора (ПУМП) 6 и дешифратора-синхронизатора (ДШ/С) 7, посредством их связи с ПК через шины передачи данных, из памяти ПК перезаписываются в двухканальное оперативно-запоминающее устройство (ДКОЗУ) 8. При этом программным путем можно регулировать период следования синхронных посылок сигналов u(t) и u(t) на соответствующие по номеру части пьезоактивного стержня преобразователя. Далее вся система может работать автономно, независимо от ПК 5. ПУМП 6 также обеспечивает синхронную выдачу, записанных в ДКОЗУ в цифровом эквиваленте, сигналов u(t) и u(t) на цифроаналоговые преобразователи 9 (ЦАП и ЦАП), которые преобразуют их аналоговую форму. Сформированные аналоговые электрические сигналы возбуждения u(t) и u(t) по первому и второму каналам через согласующие усилители 10 (СУ и СУ) и широкополосные усилители мощности 11 (ШУМ и ШУМ) подаются на соответствующие по номеру части пьезоактивного стержня преобразователя.
1
2
ак
ак
1
2
21
2
1
21
1
1
1
ак
ак
2
ак
2
1
2
Принцип работы устройства формирования акустических импульсов заключается в том, что формирование сигналов возбуждения u(t) и u(t) базируется как на известных (заданных) структурных параметрах стержневого преобразователя и условиях его работы, так и на задаваемом виде его АЧХ и ФЧХ излучения, а также - виде акустического импульса, который требуется излучить. При этом основная область спектра акустического импульса Ф(ω) должна охватываться задаваемой АЧХ излучения преобразователя, а линейность его ФЧХ излучения служит базой для неискаженной передачи формы акустического импульса s(t). Такой алгоритм предполагает использование решения задачи синтеза, когда по заданным АЧХ и ФЧХ излучения преобразователя находятся частотные зависимости амплитуд и фаз возбуждающих его электрических напряжений U(ω) и U(ω), связанных между собой соотношением U(ω)=U(ω)/U(ω), где U(ω) - функция, определяемая из решения задачи синтеза. Для определенности удобно предположить, что U(ω)=const и электрический сигнал возбуждения u(t) (находится с использованием преобразования Фурье от функции U(ω)⋅Ф(ω)) будет с точностью до постоянного множителя соответствовать задаваемому импульсу s(t). Тогда преобразование Фурье от функции U(ω)⋅Ф(ω) определит корректирующий электрический сигнал возбуждения u(t). Все это обеспечивает работу преобразователя как передаточного звена, позволяющего, в частности, формировать и излучать перестраиваемые по частоте короткие акустические сигналы. Таким образом, структурно-логическое соединение блоков 5-9 формирует программно управляемый двухканальный генератор специальных сигналов u(t) и u(t). Соотношения амплитуд, форм и временного сдвига между этими сигналами учитывает особенности построения и условия работы стержневого преобразователя. Поэтому параметры его фронтальной и тыльной накладок не будут оказывать влияние на вид излучаемых коротких акустических сигналов.
1
2
0
0
0
0
0
0
1
ак
0
Указанные положения иллюстрируются результатами расчетов, показанных на фиг. 2-5. На фиг. 2а - 4а показан вид нормированных электрических импульсов u(t) (кривые 1) и u(t) (кривые 2), подаваемых на 1 (фронтальную) и 2 (тыльную) части пьезоактивного стержня преобразователя, нагруженного на воду, для получения требуемого однопериодного акустического импульса на разных частотах его формирования: а) ω=1.3ω; б) ω=2ω; в) ω=2.7ω, где ω - текущая частота; ω - резонансная частота пьезоактивного стержня при возбуждении его частей одним и тем же электрическим напряжением на частоте ω=ω (синфазное возбуждение); t - текущее время;  - время периода колебаний на частоте ω. Нормирование выполнено к значению амплитуды импульса u(t), вид которого соответствует требуемому акустическому импульсу. На фиг. 2б - 4б показан вид нормированных акустических импульсов s(t), которые формируются и излучаются на указанных частотах с помощью предлагаемой полезной модели. На фиг. 5 показан нормированный акустический импульс сформированный устройством, принятым за прототип, при возбуждении его однопериодным импульсом на частоте ω=2ω. Сопоставление результатов, приведенных на фиг. 3б и фиг. 5, показывает, что акустический импульс, излученный предлагаемым устройством, имеет существенно меньше искажений.
Приведенное описание устройства формирования акустических импульсов доказывает достижение технического результата - уменьшение искажения требуемых коротких акустических импульсов и возможность формирования их на разных частотах с сохранением собственной формы в достаточно широком диапазоне частот (в данном случае более 1 октавы).