Разработка электроакустического преобразователя с переходным слоем

дования слуха заключается в получении ряда количественных показателей, характеризующих состояние тех или иных отделов слуховой системы. Эти показатели могут использоваться при постановке диагнозов поражений слуха, наблюдениях за изменениями слуховой чувствительностью с целью оценки эффективности лечебных и профилактических мероприятий, реабилитационных мероприятий Работа большинства приборов для исследования слуха основана на следующем простом принципе: на орган слуха испытуемого подаются дозированные акустические раздражения, после чего фиксируется его ответная реакция. Общепринятый способ речевой аудиометрии с применением обычных речевых сигналов не может удовлетворить в настоящее время исследователей, так как не обеспечивает достаточной информативности при изучении процесса восприятия речи в слуховом анализаторе. Вот почему большое значение придается различным модификациям речевой аудиометрии, в том числе с помощью и искусственно синтезированных звуковых сигналов и применения средств вычислительной техники [2].

В настоящее время в биотехнических системах для аудиометрии находят применение цифровые сигнальные процессоры, такие как, например, семейство цифровых сигнальных процессоров TDA755X. Эти процессоры предназначены для решения задач в области распознавания и синтеза речи, подавления эха и шумов. Биотехническая система аудиометрии должна включать в своем составе следующие блоки: блок управления, блок цифрового сигнального процессора, блок микрофонного усилителя, блок тестов и блок пациента. Помимо обеспечения традиционных аудиометрических тестов должна осуществляться дополнительная обработка информации: оценка громкости звука со сложным спектром, разделение спектра речи на частотные полосы, представление речевых тестов. Наличие в биотехнической системе для аудиометрии программных средств должно позволять обеспечивать использование системы для задач коррекции речи у пациентов. В этом случае биотехническая система выполняет функцию тренажера для реабилитации различных отклонений слуха: адаптация лиц с различными дефектами слуха к восприятию новых слов и выражений; выработка и закрепление навыков правильного произношения; формирование речи у слабослышащих детей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. БазаровВ.Г., Лисовский В.А., Мороз Б.С., Токарев О.П. Основы аудиологии и слухопротезирования: -М. Медицина, 1984.

2. Бросалин А.В., Кириченко И.А. Нелинейные преобразования речевых сигналов в аудиометрии / Известия ТРТУ, №4, 1998. - С. 155-156.

Р. О. Ситников

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ПЕРЕХОДНЫМ СЛОЕМ

Многочисленные задачи, решаемые ультразвуковыми приборами (медицинская диагностика, контрольно-измерительная аппаратура и др.), предполагают различные требования к частотным характеристикам пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), выполнить которые простым подбором пьезоматериала в рамках известных конструкций преобразователя удается не всегда. В то же время применение в колебательной системе преобразователя переходных слоев (многослойных ПЭП) позволяет изменять частотные характеристики в широких пределах [1]. Достигается это путем выбора материала, количества и толщины слоев.

В работе рассмотрена модель двухслойного ПЭП, колебательная система которого содержит пьезопластину и один переходной слой со стороны рабочей среды.

В качестве последнего использовались такая же пьезопластина и переходной слой, выполненный из титанового сплава различной толщины. Рассматриваемая конструкция ПЭП используется авторами для проведения экспериментальных исследований фазовой зависимости нелинейных волновых процессов в случае взаимодействия двух акустических волн с некратным соотношением частот. При этом частоты излучаемых волн связаны соотношениями ю1 = пю и ю2 = тю, где п и т -натуральные числа (т ф п). Потребность в использовании двухслойного ПЭП возникла из-за необходимости эффективного излучения двухчастотного сигнала с соотношением частот ю1 /ю2 = 2:3, 3:4, 5:6 и др. Использование в этом случае однослойного излучателя является крайне неэффективным, поскольку вне резонанса эффективность излучения резко падает [1].

Влияние материала и толщины переходного слоя преобразователя рассмотрим на примере сравнения частотных характеристик электрической проводимости (ЧХЭП) и импеданса (ЧХЭИ) отдельно взятого пьезоэлемента (ПЭ) и на различных этапах изготовления ПЭП с двухслойной колебательной системой. Проведено сравнение теоретических и экспериментальных результатов.

На сегодняшний день измерение ЧХЭП и ЧХЭИ является одним из наиболее простых и широко используемых методов определения электрофизических, технических и эксплуатационных параметров ПЭ и ПЭП [1], поскольку позволяет уйти от трудоемких акустических и статических измерений. К настоящему времени разработаны методики с использованием стандартных и специально разработанных приборов для измерения ЧХЭП и ЧХЭИ, методы расчета параметров пьезоэлементов и эквивалентных схем по характерным частотам (резонанса и антирезонанса) и измеренным ЧХЭП и ЧХЭИ [1, 2]. Выражение для электрической проводимости колебательной системы, состоящей из демпфера с удельным акустическим импедансом 2о, излучающей пьезопластины (21) и переходного слоя (22х), нагруженного на рабочую среду (2т), имеет вид [3]

Ут = /юСП1 До/

где СП1 =е33 Б1/ - емкость зажатого ПЭ; ^ - площадь ПЭ, е33 - диэлектриче-

ская проницаемость ПЭ при постоянной деформации; йх - толщина ПЭ. Здесь

д о = 1 - а2;

Д' = 2(1" Щ) [2 + ^ + [*2 - а ( + (12 + 2%),

где к1 = ю/ С1 ; ю и с1 - частота и скорость звука в материале ПЭ; Р1 = е|3/ £33С^ - квадрат коэффициента электромеханической связи ПЭ; а1 = ехр(-1к^г) - фазовый коэффициент; безразмерные параметры демпфера [о =(1 - 2о/2г )/(1 + 2о/2г) и акустической нагрузки (12 = (1 - 22ВХ/21 )/(1 + 2ВХ /21).

Учет механических потерь в пьезокерамике в рамках линейной акустики можно учесть представлением волнового числа к1 в виде комплексной величины,

к 1 = к - ] Х , где х - коэффициент затухания [4]. Механические потери в пьезокерамике принято характеризовать ее механической добротностью QМ, которая определяется экспериментально. Коэффициент затухания ультразвуковых волн в пьезокерамике равен х = п /2   QМ .

Электрическая схема включения ПЭП в качестве излучателя приведена на рис.

1,а, общий вид конструкции показан на рис. 1,б. Входной импеданс переходного слоя 2В с учетом акустической и электрической нагрузок описывается выражением [3]:

гу вХ ____ у

2 2 = 2 2

1 - а2У2т -У 2 (1 - а2 )[3 + У2т - а2 (1 + 3У2т )]

1 + а2 У2т У 211 а2 А1 + У2;

т2 ) + У2т )

где У 2 = Р 2 /[('- СП 2 Х2к2 Л2 )] - электрическая нагрузка переходного слоя; У2т =(1 - 2т/22 )/( + 2 т/22) - коэффициент отражения (по давлению) звуковой волны от границы переходной слой - среда; а2 = ехр(- 1к 2 Л 2). При расчетах механические потери в переходном слое не учитывались.

б

Рис. 1. Электрическая схема включения

Для случая излучателя с титановой накладкой величиной у2 можно пренебречь, так как коэффициент электромеханической связи переходного слоя из титанового сплава р2 = 0 и формула (2) значительно упрощается. Прочие обозначения соответствуют обозначениям, приведенным в работе [3]. Потери в клеевом шве и его толщина в теоретической модели принимались равными нулю.

С использованием приведенных соотношений выполнены расчеты модуля, активной и реактивной составляющей проводимости одиночного ПЭ (толщина согласующей пластины принималась равной нулю) и ПЭ с переходным слоем для случая, когда акустические нагрузки равны (2т = 20= 2вМ)2 для керамики ЦТСНВ-23 толщиной Л1 = 1,9 мм и диаметром а = 50 мм с учетом механических потерь в пьезокерамике. На рис. 2 приведен модуль ЧХЭП. Параметры пьезокерамики были экспериментально определены из измеренных зависимостей ЧХЭИ и ЧХЭП по методу резонанса-антирезонанса согласно [1]. Результаты расчета ПЭ с переходным слоями из такой же пьезопластины и титанового сплава различной толщины Л2 = 2,8, 2,3 и 2,0 мм приведены соответственно на рис. 2,а и рис. 2,б. Частота основного резонанса одиночного ПЭ^оставилз^римерно 1р ~ 1080 кГц^

кривая 1.

1 2

163

, Г

/ і

І і / І Хґ\ І і і

Рис. 2. Расчетные^шрактеристики ЧХЭИ ПЭ: а - переходной слой из керамйщ; б—Переходной слой из титана

Добавление переходного слоя физически эквивалентно увеличению резонансной толщины ПЭ, что выразилось в появлении дополнительной серии резонансов, располагающихся по обе стороны от основного резонанса одиночного ПЭ и соответствующих колебательнойсистеме толщиной & + & 2 (рис. 2,а, кривая 2). Л

1 2 1 - пьезопластина 1

Ниже приведены значения частот резонансов и модуря проводимости в следующем порядке - номер гармоники; резонансная частота /Р ; модуль пр2водиэдо-пьеЗОПЛаСТИНЫ

сти на частоте резонанса. Для случая полуволнового переходного слоя^зЛЫзокеГнагПУЗКа ВОЗДУХІ рамики, рис. 2,а

1) одиночный ПЭ - 1; 1,08^Гц; 0,51 См;

2) ПЭ после склейки - 1; 1,088 МГц; 0,51 См;

3) внесенные резонансы за счет переходного слоя - 1; 0,542 МГц; 0,14 См; 3;

1,684 МГц; 0,115 См.

Для случая переходного слоя из титанового сплава при значении &2 = 2,8 мм, рис.2,б: Ї МГц

1) одиночный ПЭ - 1 1,046 МГц; 0,52 См;

2) ПЭ после склейки - 1; 1,049 МГц; 0,52 СС^; 1.0 1.3 1.6

3) внесенные резонансы за счет переходного слоя - 1; 0,525 МГц; 0,13 См; 3;

1,618 МГц; 0,162 См.

При уменьшении толщины переходного слоя из титанового сплава происходит смещение резонанса первого ПЭ после склейки вверх по частоте, что в свою очередь приводит также к смещению вверх по частоте внесенных резонансов двухслойного ПЭП. Таким образом, изменением толщины переходного слоя &2 можно добиваться в двухслойных ПЭ определенного набора резонансных частот.

На рис. 3 приведены экспериментальные ЧХЭП, измеренные с использованием измерительной установки, описанной в [5]. На рис. 3,а приведены частотные характеристики двух отдельных пьезопластин до и после их склейки между собой.

На рис.3,б приведены частотные характеристики одиночного ПЭ до склейки и после склейки его с пластиной из титанового сплава различной толщины.

Для случая полуволнового переходного слоя из керамики, рис.3,а:

1) одиночный ПЭ - 1) 1; 1,089 МГц; 0,69 См; 2) 1; 1,10 МГц; 0,52 См;

2) ПЭ после склейки - 1; 1,048 МГц; 0,39 См;

3) внесенные резонансы за счет переходного слоя - 1; 0,388 МГц; 0,024 См; 3;

1,266 МГц; 0,365 См.

Для переходного слоя из титанового сплава (& 2 = 2,8 мм), рис.3,б:

1) одиночный ПЭ - 1; 1,089 МГ ц; 0,687 См;

2) ПЭ после склейки - 1; 1,076 МГц; 0,64 См;

а

3) внесенные резонансы за счет переходного слоя - 1; 0,43 МГц; 0,025 См; 3; 1,354 МГц; 0,12 См.

Рис. 3. Модуль ЧХЭП излучателя: а - переходной слой из керамики; б - переходной слой из титана

Экспериментальные результаты подтверждают общие закономерности поведения теоретически рассчитанных ЧХЭП I двуслойного ПЭ. Следует отметить незначительное понижение резонансной частоты ПЭ, уменьшение резонансныХ частот и добротности внесенных резонансов, нарушения кратности частот основных и внесенных резонансов. Это можно объяснить влиянием клеевого шва, который после склейки является частью суммарной ^олшидыцЛрйобразователя- Роль клеевого шва была рассмотрена в [4]. Известно, что абсолютная минимальная толщина клеевого шва зависит от точности обработкидповШхнйсйРй ПЭ и переходного слоя. В работе [4] приведены значения толщины клеевого шва в зависимости от

класса обработки материалов. q _ дВе цьезОПЛасТИНЫ

Для качественной оценки режима излучения и сравнения результатов экспериментальных исследований нелинейных волновйй^ЛрВДессов с приближенными теоретическими моделями быдачразработа«а измерительная установка, позволяющая выполнить градуировку исшльзуемых'ПЭП.Для определения чувствительности ПЭП в режиме излучения использовался метод самовзаимности [6, 7]. Структурная схема установки для градуировки ПЭП методом самовзаимности представлена на рис 4,а. Излучение и прием акустических волн осуществляется градуируемым преобразователем. Предполагается, что выходной усилитель имеет выходное сопротивление Квых, которое м^рго меньше добавочного сопротивленияjR, и напряжение на преобразователе постоянно во всем диапазоне частот градуировки ПЭП (иизл = const). Расчет чувствительности ПЭП проводится по методике, описанной в работе [7]. При этом влияние дифракционных эффектов, обусловленных конечными размерами ПЭП, не учитывалось. Для расчета чувствительности необходимо знать напряжение на выходе усилителя U вых, а также амплитуды излучаемого Пизл и принятого Uпр сигналов.

В процессе градуировки преобразователь устанавливается на специальное координатное устройство таким образом, чтобы его акустическая ось была направлена вверх перпендикулярно к поверхности воды. Измерения проводились в ближней зоне преобразователя в импульсном режиме. Частота следования и длительность импульсов подбираются таким образом, чтобы принятые эхоимпульсы, и не накладывались друг на друга и образовывали убывающую по амплитуде последовательность, рис. 4,б.

Расчет чувствительности в режиме излучения определяется по формуле

f МГц

1.5

и •

пр ^ вЫХ шл /

^д • •! •и изл

и • и

пр вЫХ

^д • •! •иизл

[Па/В].

Здесь 3 = 2£ / р- с - параметр взаимности для плоской волны [6, 7]; £ - площадь рабочей поверхности излучателя; р - плотность среды; с - скорость звука в среде.

а) б)

Рис. 4. Структурная схема установки при градуировке ПЭП методом самовзаимности

Результаты измерений частотной зависимости чувствительности излучателя с переходным слоем из титанового сплава и такой же пьезокерамики приведены соответственно на рис. 5,а и 5,в.

в г

Рис. 5. Экспериментальные зависимости от частоты чувствительности (а, в) и активной составляющей проводимости (б, г) двухслойных преобразователей

Соответственно на рис. 5,б и 5,г приведены экспериментальные частотные характеристики активной составляющей проводимости двухслойных ПЭП при на-

у 10% Па/в

Переходной слой выполнен из титанового сплава

гружении рабочей поверхности преобразователя на воздух и на воду. Видно, что при нагружении рабочей поверхности ПЭП на воду добротности основного и внесенных резонансов уменьшаются.

Из рис. ниже видно, что закон изменения частотной зависимости чувствительности ПЭП совпадает с частотной зависимостью активной составляющей проводимости излучателя, нагруженного рабочей поверхностью на воду. Но максимум чувствительности на частоте основного резонанса смещен вверх по частоте относительно частоты максимуму активной составляющей проводимости ПЭП.

Полученные результаты подтверждают возможность управления ЧХЭП двухслойного ПЭП путем подбора толщины и материала переходного слоя. Использование двухслойных ПЭП для излучения двухчастотных сигналов с соотношением частот raj/ю2 = 2:3 и 5:6 является более эффективным по сравнению с однослойными преобразователями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пьезокерамические преобразователи. Справочник/ В.В. Ганопольский и др. - Л.: Судостроение, 1984. - 256 с.

2. ГОСТ 12370-80. Материалы пьезокерамические. Методы испытаний. - М., 1980.

3. Касаткин Б.А. Некоторые характеристики управляемых пьезопреобразователей. Дефектоскопия, 1978. - № 11. - С. 34 - 38.

4. Домаркас В.И., Кажис Р.-И. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. - Вильнюс: Изд-во «Минтис», 1975. - 256 с.

5. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Автоматизация лабораторных измерений частотных характеристик пьезоэлементов и пьезопреобразователей. Изв. ВУЗов. Сев.-Кавказский регион, 2002. - С. 82 - 86.

6. КолесниковА.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: Изд-во стандартов, 1970. - 238 с.

7. Widener M. W. The measurement of transducer efficiency using self-reciprocity techniques. J. Acoust. Soc. America, 1980, v. 67, №3, pp. 1058-1062.

А.К. Батрин, А.М. Гаврилов, Р. О. Ситников

УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

В работе представлена автоматизированная экспериментальная установка для лабораторных исследований нелинейного взаимодействия двух волн с произвольными частотными и начальными амплитудно-фазовыми соотношениями. Эта задача имеет своей целью выявить роль фазовых соотношений на процесс нелинейной генерации волны разностной частоты (ВРЧ), что представляет интерес для понимания особенностей работы параметрических антенн (ПА), осуществляющих излучение широкополосного или перестраиваемого в широком частотном диапазоне сигнала разностной частоты. Следует отметить, что в последние годы параметрические излучатели звука благодаря ряду своих достоинств находят все более широкое применение в гидроакустике, морской геологии и археологии, медицинской диагностике, акустических измерениях и т.д. [1].

Актуальность проведения экспериментальных исследований фазозависимых нелинейных процессов в акустике обусловлена существующими на сегодняшний день представлениями о том, что фазовые соотношения не влияют на энергообмен между первичными волнами (волнами накачки) и возникающими в среде вторичными волнами. Считается, что изменение соотношения фаз в первичном спектре приводит лишь к изменению начальной фазы вторичных волн. Данная точка зре-