Чувствительный элемент приемников градиента акустического давления

Полезная модель относится к гидроакустике, конкретно, к чувствительным элементам приемников измерения градиента акустического давления для низкочастотного диапазона с использованием в качестве чувствительных элементов биморфных пьезокерамических пластин, которые находят широкое применение в конструкциях различных датчиков при необходимости преобразования механической энергии в электрическую. Принцип их работы заключается в измерении градиента давления на оппозитных сторонах неподвижного электроакустического преобразователя. Известно, что такие преобразователи часто устанавливают, в том числе, и в приемниках градиента акустического давления (ПГД). (Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2007. С. 680; С.К. Скребнев «Комбинированные гидроакустические приемники». С-Петербург «Элмор» 1996].
Наибольшее распространение среди ПГД получили варианты конструкций, содержащие пластинчатые пьезопреобразователи, у которых при воздействии акустического поля наблюдается прогиб центральной части чувствительных элементов, по величине которого и оценивают градиент давления.
Известен чувствительный элемент ПГД, выполненный в виде дипольной пары полусфер из пьезокерамики, полученных из одной сферы, что позволяет сократить расстояние между акустическими центрами полусфер и сохранить идентичными электроакустические параметры полусфер, что очень важно, поскольку электрический сигнал на них, пропорциональный градиенту давления, получается вычитанием электрических сигналов, вырабатываемых полусферами под действием акустического давления. В конечном итоге это позволяет расширить диапазон рабочих частот, сохранить присущие каждому приемнику характеристики направленности и чувствительности и сформировать из них двунаправленную кардиоидную характеристику (п. РФ №2403684 С1)
Известен приемник градиента давления, в котором чувствительный элемент выполнен в виде тонкого круглого биморфного изгибного чувствительного элемента, содержащего металлическую мембрану с приклеенным к ней пьезокерамическим диском (п. РФ №2245604 С1)
Известен акустический приемник, содержащий массивную металлическую втулку, в которой установлен герметично и жестко скрепленный по контуру с внутренней поверхностью металлической втулки биморфный изгибный чувствительный элемент, содержащий металлическую мембрану с приклеенным к ней пьезокерамическим диском. Приемник имеет два акустических входа, расстояние между которыми АХ, где АХ - длина втулки. Под действием разности давлений, действующих на чувствительный элемент через акустические входы, то есть под действием градиента давления, чувствительный элемент прогибается и на электродах пьезоэлектрического диска выделяется электрический заряд. (Р. Боббер, "Гидроакустические измерения." - М., "Мир", 1974, с. 314-317).
Однако недостатком этих конструкций является низкая чувствительность элемента к полезному сигналу.
Одним из способов повышения чувствительности ПГД является удлинение волнового набега звуковой волны между двумя сторонами пластинчатого изгибного элемента, для чего его помещают в жесткую трубку, увеличивая длину волнового набега [Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. С. 23.]. Однако, это приводит к увеличению размеров и ухудшению обтекаемости приемника.
Известен пьезоэлектрический изгибный преобразователь типа ЭП-9-47-ПлБ-001, (http://www.elpapiezo.ru/Datasheets/BYMOPLF.pdf) содержащий две параллельно подключенные пьезоэлектрические пластины с нанесенными электродами, склеенные между собой через алюминиевую подложку, выполняющую функцию упругого элемента.
Наиболее близким является чувствительный элемент ПГД, описанный в статье В.И. Коренбаум, А.А. Тагильцев, СВ. Горовой, И.В. Дегтярев, М.И. Серветников «Низкочастотный приемник градиента давления силового типа»: Ж. Технические Проблемы Освоения Мирового Океана, Том:7, Год: 2017, С. 193-196.
Приемник снабжен преобразователем, в котором чувствительным элементом является биморфная конструкция, состоящая из круглой бронзовой подложки, на сторонах которой приклеены тонкие пьезодиски, с нанесенными на их поверхность электродами. Бронзовая подложка по контуру закреплена между двумя кольцевыми обоймами, выполненными из текстолита. Каждый собранный преобразователь залит звукопрозрачным уретановым компаундом в форме цилиндрической таблетки.
Однако, использование бронзовой подложки, выполняющей одновременно роль мембраны в чувствительном элементе, призванной усилить его чувствительность, накладывает свои механические свойства на механические свойства пьезодисков, что приводит к снижению величины изгибной деформации чувствительного элемента и величину напряжения на преобразователе в целом, то есть снижению чувствительности преобразователя, сложности изготовления и удорожанию конструкции.
Заявляемое решение позволит расширить ассортимент конструкций чувствительного элемента для приемников градиента акустического давления с одновременным повышением чувствительности и без увеличения размеров приемника.
Решение достигается чувствительным элементом для приемников градиента акустического давления состоящим только из двух установленных без зазора в кольцевой обойме противоположно поляризованных круглых пьезокерамических пластин, снабженных расположенными в центральной части электродами, диаметр которых не более 0,3 от диаметра пьезокерамических пластин.
Схематическое изображение устройства элемента и его работы приведено на следующих рисунках:
Фиг. 1. Схематично изображен предлагаемый чувствительный элемент, где 1 - пьезокерамические пластины; 2 - электроды; 3 - кольцевые обоймы
Фиг. 2. Зависимость чувствительности элемента от толщины металлической мембраны от 1 мм до 0 мм.
Фиг. 3. Деформация биморфного узла, состоящего из двух наложенных один на другой без зазора пьезоэлементов (Р1 и Р2, толщиной 0,25 мм, под воздействием акустической волны амплитудой 1 Па.
Предложенный чувствительный элемент может быть установлен в любых ПГД, с установленными пластинчатыми круглыми изгибными преобразователями.
В качестве материала пластины используют, например, пьезокерамику системы ЦТС (твердый раствор титаната свинца и цирконата свинца с модифицирующими добавками) с электродами из серебра или никеля, которые могут быть выполнены любым подходящим способом, например, в виде металлизированных областей в центре, и нанесены любым приемлемым способом, например, напылением, или оконтуриванием требуемой части пластины путем травления.
Чувствительный элемент может быть залит, например, звукопрозрачным уретановым компаундом для герметизации.
Для доказательства работоспособности предложенного технического решения методом конечных элементов проведено моделирование работы чувствительного элемента ПГД, в результате которого получена зависимость чувствительности от толщины металлической мембраны между пьезоэлементами (Фиг. 2). Показано, что в случае исключения металлической мембраны (δ=0), наблюдается значительное увеличение чувствительности заявляемого элемента, при этом распределение наведенного пьезокерамикой электрического напряжения по поверхности элемента зависит от степени изгибной деформации и неравномерно, поэтому для регистрации максимального значения напряжения электроды размещают в зоне близкой к максимальной деформации, как правило, в центре пластин (Фиг. 3).
Таким образом, предлагаемое решение позволяет расширить ассортимент конструкций чувствительных элементов для ПГД с повышением чувствительности преобразователя ПГД без увеличения размеров приемника за счет использования тела пьезокерамических пластин в качестве мембраны и размещения электродов в зоне близкой к максимальной деформации, как правило, в центре пластин.