Сверхширокополосные, однонаправленные пьезопреобразователи с функциональным секционированием и амплитудно-фазовым возбуждением для гидросред тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Степанов Борис Георгиевич

• Степанов Борис Георгиевич
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Степанов Борис Георгиевич

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫМИ, НАПРАВЛЕННЫМИ И ИМПУЛЬСНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1.1. Методы построения широкополосных гидроакустических преобразователей

1.2. Методы формирования импульсных акустических сигналов

1.3. Методы построения безэкранных однонаправленных преобразователей

1.4. Выводы по разделу

2. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ СТЕРЖНЕВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ИХ ПЬЕЗОАКТИВНЫХ ЧАСТЕЙ

2.1. Постановка задачи и вывод основных расчетных соотношений

2.2. Синтез и анализ частотных характеристик двухсекционных широкополосных стержневых преобразователей с амплитудно-фазовым возбуждением

2.3. Широкополосные стержневые преобразователи с амплитудно-фазовым возбуждением «п» секций. Задача синтеза

2.4. Способ устранения влияния армирующей стяжки на частотные характеристики широкополосных стержневых преобразователей с амплитудно-фазовым возбуждением

2.5. Импульсный режим работы широкополосных преобразователей. Общие положения

2.6. Экспериментальные исследования широкополосных двухсекционных преобразователей

с амплитудно-фазовым возбуждением. Задача анализа

2.7. Экспериментальные исследования широкополосных двухсекционных преобразователей

с амплитудно-фазовым возбуждением. Задача синтеза

2.8. Стержневые широкополосные преобразователи с противофазным включением пьезостержней

2.9. Стержневые преобразователи с противофазным включением пьезостержней и дополнительным амплитудно-фазовым их возбуждением

2.10. Выводы по разделу

3. СТЕРЖНЕВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ТЫЛЬНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

И УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ В ЗАДАННОМ СЕЧЕНИИ ПЬЕЗОСТЕРЖНЯ

3.1. Синтез и анализ частотных характеристик двухсекционных стержневых преобразователей с компенсацией тыльного излучения

3.2. Стержневые преобразователи с комбинированной компенсацией тыльного излучения. Постановка и решение задачи

3.2.1. Широкополосные стержневые преобразователи с комбинированной

компенсацией тыльного излучения

3.3. Способ активной виброзащиты стержневых преобразователей путем фазирования колебаний их пьезоактивных секций

3.4. Выводы по разделу

4. СИНТЕЗ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПЛАСТИНЧАТЫХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПУТЕМ ФАЗИРОВАНИЯ ИХ ТОЛЩИННЫХ КОЛЕБАНИЙ

4.1. Постановка задачи и вывод основных расчетных соотношений

4.2. Результаты расчета частотных и импульсных характеристик

4.3. Выводы по разделу

5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГИХ СМЕЩЕНИЙ И МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ С АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

5.1. Распределение упругих смещений и механических напряжений

по длине пьезостержня преобразователя

5.2. Распределение упругих смещений и механических напряжений по толщине пластинчатого преобразователя

5.3. Выводы по разделу

6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ВОЛНОВОДНОГО ТИПА

6.1. Предварительные данные. Излучение пьезоцилиндра через его торцевые апертуры

в цилиндрические волноводы

6.1.1. Взаимные сопротивления излучения соосно расположенных, заполненных

жидкостью пьезоцилиндров

6.2. Излучение преобразователем волноводного типа через его апертуры в полубесконечные волноводы. Задача синтеза

6.2.1. Постановка задачи, основные положения и формулы

6.2.2. Оценка влияния параметров преобразователя волноводного типа на его частотные характеристики

6.2.3. Работа преобразователя волноводного типа в расширенном диапазоне частот

6.3. Излучение преобразователя волноводного типа в соосные волноводы. Задача анализа

6.3.1. Линейно-нарастающий закон изменения возбуждающего электрического напряжения

6.3.2. Использование дополнительной частотной коррекции совместно с линейно нарастающим законом изменения амплитуд возбуждающих напряжений

6.4. Излучение преобразователем волноводного типа через его апертуры в

открытые полупространства

6.4.1. Постановка задачи, определение звуковых давлений и колебательных

скоростей

6.4.2. Акустические нагрузочные характеристики пьезоцилиндров преобразователя волноводного типа, излучающего в полупространства

6.4.3. Электрические напряжения, возбуждающие пьезоцилиндры преобразователя волноводного типа, излучающего в полупространства

6.5. Обобщенная модель преобразователя волноводного типа

6.5.1. Расчетная модель преобразователя волноводного типа, излучающего в конусные полупространства

6.5.2. Сопротивление излучения пьезоцилиндров преобразователя волноводного типа, излучающего в конусные полупространства

6.5.3. Распределение нормальной компоненты колебательной скорости в апертурах преобразователя волноводного типа, излучающего в конусные полупространства

6.6. Импульсный режим работы преобразователей волноводного типа.

Результаты расчетов

6.7. Экспериментальные исследования преобразователей волноводного типа

6.7.1. Построение макетов антенн, составленных из преобразователей волноводного типа, и системы их возбуждения

6.7.2. Возбуждение преобразователей волноводного типа, основанное на решении

задач анализа

6.7.3. Возбуждение преобразователей волноводного типа, основанное на решении задачи синтеза

6.7.4. Влияние условий возбуждения преобразователей волноводного типа на

их частотные характеристики

6.7.5. Импульсный режим работы преобразователей волноводного типа

6.7.6. Характеристики направленности макетов антенн, составленных

из преобразователей волноводного типа

6.8. Выводы по разделу

7. ВХОДНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИМПЕДАНС И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО

ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

7.1. Стержневых преобразователей с амплитудно-фазовым возбуждением

7.2. Пластинчатые преобразователи с амплитудно-фазовым возбуждением

7.3. Преобразователи волноводного типа

7.3.1 Входные электрические характеристики пьезоцилиндров, образующих преобразователь волноводного типа

7.3.2 Коэффициент полезного действия преобразователя волноводного типа

7.4. Выводы по разделу

8. ОДНОНАПРАВЛЕННЫЕ СТЕРЖНЕВЫЕ И ДИСКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С НАКЛАДКАМИ КЛИНОВИДНОЙ ФОРМЫ

8.1. Стержневые преобразователи с накладками клиновидной формы

8.2. Осесимметричные преобразователи с клиновидными секторными накладками

8.3. Режим приема преобразователей с накладками клиновидной формы

8.4. Преобразователь с перестраиваемыми характеристиками направленности на базе дисковых пьезоэлементов с клиновидными накладками

8.4. Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхширокополосные, однонаправленные пьезопреобразователи с функциональным секционированием и амплитудно-фазовым возбуждением для гидросред»

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы, связанные с освоения Мирового океана достаточно разнообразны и, как правило, сопряжены с необходимостью создания новых, более совершенных гидроакустических систем (ГАС). Область применения таких систем является чрезвычайно многогранной. Это системы подводного наблюдения, поиска и классификации объектов, системы навигации и подводной связи, системы, предназначенные для океанографических исследований, обеспечения морской геологии и подводных промыслов, средства гидроакустического противодействия, а также многие другие. Развитие всех этих систем подразумевает необходимость разработки новых принципов построения и функциональности как гидроакустических преобразователей, входящих в состав антенн, так и систем их возбуждения, приема и обработки принятых сигналов.

На протяжении уже многих лет основными направлениями исследований по разработке гидроакустических преобразователей являются: увеличение чувствительности в режимах излучения и приема, снижение рабочих частот преобразователей без значительного увеличения их веса и габаритов, обеспечение минимизации тыльного излучения, расширение рабочей полосы частот, возможность формирования коротких акустических сигналов, повышение надежности работы и срока службы и т. д. При этом выполнение одних требований может вступать в противоречие с обеспечением других. Поэтому разработка преобразователей под заданные требования - это всегда поиск определенного консенсуса и оптимизация решения.

Несмотря на большое разнообразие колебательных систем электроакустических преобразователей, наибольшее распространение получили цилиндрические и стержневые преобразователи, используемые преимущественно для целей гидроакустики [1]-[3], а также в различных устройствах технической акустики и низкочастотной дефектоскопии [4], [5]. Оба эти типа преобразователей допускают выполнение надежного армирования [2]. Для одной и той же рабочей частоты цилиндрические преобразователи являются более энергоемкими по сравнению со стержневыми преобразователями. Однако в случае цилиндрических излучателей имеются определенные трудности, связанные с обеспечением эффективного экранирования их внутренней боковой и части внешней (тыльной) поверхности [6], [7], а также - с требованием сканирования характеристики направленности (ХН) антенн и необходимостью иметь размеры излучающей поверхности не более 0.5Х [8], где X - длина звуковой волны в воде. Для стержневых преобразователей отсутствует прямая связь между волновым размером излучающей поверхности и их резонансной частотой, а при необходимости экранирования это осуществляется для сравнительно небольших участков тыльной поверхности. Эти преобразователи удобны с позиции компоновки антенн. Кроме того, стержневые преобразователи имеют сравнительно высокий КПД, сопоставимый с цилиндрическими преобразователями, а при использовании массивной тыльной накладки последняя может выполнять роль корпуса стержневого преобразователя и минимизировать уровень тыльного излучения [1], [2].

Проблема разработки эффективных экранов и учет их влияния на работу гидроакустических преобразователей достаточно полно освещена в [6], [7], и детальный анализ этих вопросов не является предметом исследований. Однако некоторые решения, связанные с построением безэкранных преобразователей [1, с. 75-77], будут рассмотрены в данной работе.

В настоящее время все большую актуальность приобретают вопросы, связанные с возможностью формирования и управления сложными акустическими сигналами, к которым можно отнести частотно- и фазо- модулированные и манипулированные сигналы, кодовые последовательности коротких импульсов, хаотические сигналы и др. Решение этих вопросов традиционно увязывается с задачами построения эффективных широкополосных, в том числе и гидроакустических, преобразователей. В зависимости от технических требований к антенне ГАС, например, для работы с перестраиваемыми по частоте радиоимпульсами, широкополосности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) излучения преобразователей, составляющих эту антенну, может быть достаточно. Однако если необходимо использование коротких (1...1.5 периода колебаний) или сложно структурированных акустических импульсов, то возникает дополнительное требование к линейности фазочастотной характеристики (ФЧХ) излучения, которая далеко не всегда обеспечивается известными техническими решениями. Разработка преобразователей и антенн, способных формировать в заданном диапазоне частот равномерные АЧХ излучения при условии линейности ФЧХ излучения, а также - излучать короткие или сложные по структуре акустические сигналы, составляет важную часть настоящей работы. Использование таких преобразователей (антенн) и сигналов позволит повысить разрешающую способность и информативность ГАС в условиях сложной помеховой обстановки.

При разработке различных колебательных систем и антенн широко используются методы анализа и синтеза. Первые из них имеют более широкое распространение и используются, когда для выбранной модели колебательной системы или антенны при определенном характере ее возбуждения анализируются частотные или направленные характеристики в зависимости от конструктивных и нагрузочных параметров. Методы синтеза, все более активно применяемые по мере увеличения эффективности вычислительных средств, как правило, предполагают нахождение характера возбуждения (в ряде случаев - построение) колебательной системы или антенны по заданным ее параметрам и частотным или направленным характеристикам. Особенно полезными эти методы могут быть при проектировании гидроакустических преобразователей, отдельные части (элементы) которых возбуждаются различными по амплитуде и фазе электрическими напряжениями, с целью получения заданных частотных и направленных свойств.

Для анализа систем с п элементами часто используются методы по определению минимума функционала, который составляется в соответствии со спецификой решаемой задачи и зависит как от заданной характеристики, так и от искомых величин [9]. Задачи такого рода в определенной мере подобны методам многопараметровой оптимизации, которые в общем слу-

чае не всегда позволяют найти устойчивое и однозначное решение. Тем не менее, такие подходы к решению задач активно развиваются и позволяют найти определенные тенденции изменения искомых величин. С уменьшением значения п результат решения становится более регулярным, а в ряде случаев удается установить функциональные зависимости для искомых величин.

Близкие по смыслу математические методы используются, в частности, в задачах активного гашения звука [10], определения параметров непрерывных и слоистых согласующих структур [11]—[ 13], синтеза антенн [14], [15], минимизации уровня тыльного излучения стержневых преобразователей [16] и др. В работе [17] на базе теории электрических цепей и четырехполюсников применительно к пластинчатым преобразователям рассматриваются некоторые вопросы анализа и синтеза их АЧХ. В [18] рассматриваются вопросы сходства и различия в постановке задач анализа и синтеза неоднородностей твердых сред. Здесь лишь обозначены некоторые направления исследований, связанные с рассмотрением задач оптимизации и синтеза.

Таким образом, дальнейшее развитие и совершенствование методов функционального построения и возбуждения гидроакустических преобразователей с заданными частотными и направленными свойствами определяет актуальность выполненных в диссертационной работе исследований.

Целью диссертационной работы является расширение функциональных возможностей и создание научных основ проектирования, позволяющих обеспечить: эффективное широкополосное излучение преобразователей с возможностью формирования коротких, перестраиваемых по частоте, и сложных по структуре акустических импульсов; минимизацию уровня тыльного излучения и построение однонаправленных безэкранных преобразователей, путем разработки и исследования новых технических решений, принципов построения и возбуждения пьезоэлементов преобразователей.

Объектом исследования в работе являются реальные конструкции предложенных электроакустических преобразователей, их математические и физические модели, обладающих заданными частотными и направленными свойствами и набором специальных характеристик, применительно к задачам локации, измерения и связи.

Предметом исследования являются принципы построения и возбуждения разработанных преобразователей, их математические модели и алгоритмы расчетов, а также частотные, направленные и временные характеристики, полученные для различных значениях параметров моделей и конструкций преобразователей.

Задачи исследования:

Для достижения поставленной цели решаются следующие теоретические и прикладные задачи:

1. Научное обоснование построения и возбуждения стержневых и пластинчатых преобразователей, обеспечивающих равномерную АЧХ и линейную ФЧХ излучения в диапазоне частот от двух октав и более, постановка и решение для них задачи синтеза, анализ частотных и импульсных характеристик таких преобразователей, исследование возможности увеличения

уровня излучения широкополосными преобразователей, путем использования ряда противо-фазно включенных пьезостержней.

2. Научное обоснование построения и возбуждения стержневых преобразователей, обеспечивающих компенсацию упругих смещений в заданном поперечном сечении пьезостержня, в том числе на одном из его торцов, во всем рабочем диапазоне частот, постановка и решение для них задач синтеза и анализа.

3. Научное обоснование построения и возбуждения стержневых преобразователей, обеспечивающих интерференционное гашение звуковых волн в тыльном направлении в рабочем диапазоне преобразователя, постановка и решение для них задач синтеза и анализа.

4. Анализ распределения упругих смещений и механических напряжений вдоль пьезо-элементов стержневых и пластинчатых преобразователей с амплитудно-фазовым возбуждением их отдельных частей, в том числе при их работе в импульсном режиме.

5. Научное обоснование построения и возбуждения сверхширокополосных преобразователей волноводного типа с амплитудно-фазовым возбуждением и их математических моделей, постановка и решение задач синтеза и анализа, рассмотрение импульсного режима работы.

6. Анализ частотных характеристик входного электрического импеданса составных частей стержневых, пластинчатых и волноводных преобразователей с амплитудно-фазовым возбуждением, а также их коэффициента полезного действия.

7. Разработка и исследование безэкранных однонаправленных преобразователей с пассивными накладками клиновидной формы.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач применялись теоретические методы исследования с использованием вариационного исчисления и теории функций комплексной переменной, динамической теории упругости и законов пьезоэффекта, теории специальных функций и метода частичных областей. На основе полученных теоретических результатов и разработанных алгоритмов выполнялись расчеты основных полевых и нагрузочных характеристик предложенных преобразователей. С целью подтверждения основных теоретических положений и полученных результатов расчетов для разработанных преобразователей проводились экспериментальные исследования их макетов.

Научная новизна:

1. С использованием метода вариации произвольных постоянных получено решение задачи о колебаниях армированного стяжкой пьезостержня, нагруженного на произвольные входные импедансы и возбуждаемого переменным по длине электрическим полем, в частности, изменяющимся по дискретно-ступенчатому закону с помощью использования для « п » секций пьезостержня различных по амплитуде и фазе электрических напряжений.

2. Сформулированы и решены задачи синтеза для двухсекционных стержневых преобразователей, возбуждаемых установленными из решения электрическими напряжениями, позволяющими обеспечить: равномерную АЧХ и линейную ФЧХ излучения с возможностью формирования коротких (1-1.5 периодов колебаний), перестраиваемых по частоте, и сложно структурированных акустических импульсов; торможение упругих смещений в любом поперечном сечении пьезостержня, в том числе - его тыльного торца с целью компенсации тыльного излучения.

3. Для широкополосных стержневых преобразователей с амплитудно-фазовым возбуждением (ПАФВ) частей (секций) пьезостержня, предложен способ устранения влияния резонанса единой армирующей стяжки в рабочем диапазоне этих преобразователей, путем установки кольцевых вставок, жестко соединяющих пьезостержень со стяжкой и имеющих изгибную жесткость в 5 раз большую, чем жесткость примыкающих к ней участков армирующей стяжки. Получено теоретическое и экспериментальное подтверждение.

Основные положения п.1-4 находят вполне удовлетворительное экспериментальное подтверждение.

4. При исследовании увеличения уровня излучения широкополосными стержневыми преобразователями путем использования ряда противофазно включенных пьезостержней, показано влияние соотношения длин этих пьезостержней и их числа на АЧХ излучения таких преобразователей, а также - возможность использования противофазного включения пьезостержней для увеличения уровня излучения ПАФВ, возбуждаемых согласно решению задачи синтеза, для обеспечения их работы в широкой полосе частот и компенсации тыльного излучения.

5. Предложены и подтверждены результатами расчетов и экспериментов принцип построения и способ возбуждения двухсекционного стержневого преобразователя с комбинированной компенсацией тыльного излучения, основанной на решении задачи синтеза, которые обеспечивают эффективное однонаправленное излучение в полосе частот порядка 1.5 октавы.

6. Для модели пластинчатого преобразователя, содержащего две пьезопластины, разделенные пассивным слоем, внешние стороны которых нагружены на произвольные входные импедан-сы, в одномерном приближении решена задача синтеза в части получения этим преобразователем равномерной АЧХ и линейной ФЧХ в широкой (2-3 октавы) полосе частот. Показана возможность формирования таким преобразователем коротких перестраиваемых по частоте акустических импульсов, не зависящих от характера нагруженности внешних поверхностей пьезопластин.

7. Для стержневых и пластинчатых ПАФВ проанализирован характер распределения упругих смещений и механических напряжений вдоль пьезоактивных элементов этих ПАФВ для гармонического и импульсного режимов, а также - влияние на эти распределения конструктивных особенностей и вида возбуждения ПАФВ.

8. Предложен принцип построения и возбуждения преобразователя волноводного типа (ПВТ), образованного соосным набором пьезоцилиндров, разделенных по торцам тонкими и аку-

стически гибкими прокладками, и возбуждаемых с условием формирования в заполненной жидкостью полости ПВТ бегущей волны, что приводит к сверхширокополосному изучению во фронтальном направлении и минимизации тыльного излучения.

Для модели ПВТ, излучающего в соосные волноводы (вариант работы ПВТ в составе антенны) рассмотрены три варианта возбуждения: согласно решению задачи синтеза, основанного на условии постоянства амплитуд колебательной скорости пьезоцилиндров во всем рабочем диапазоне частот ПВТ; с использованием линейно нарастающего закона (ЛНЗ) изменения амплитуд возбуждающих электрических напряжений (с ростом номера пьезоцилиндра, задача анализа); с использованием дополнительно к ЛНЗ одного общего корректирующего фильтра, подключенного до фазосдвигающей цепи (линии задержки), обеспечивающей режим бегущей волны, или N индивидуальных корректирующих фильтров, подключенных после фазосдвигающей цепи (задачи анализа).

Для всех указанных вариантов возбуждения ПВТ рассмотрены частотные зависимости и характер распределения активной и реактивной компонент сопротивления излучения и амплитуд колебательной скорости по пьезоцилиндрам.

9. Сформулированы и решены задачи об излучении ПВТ во фронтальное и тыльное полупространства (работа одиночного ПВТ) и в изменяемые по углу раскрыва конусные полупространства (задача, обобщающая ранее полученные решения). Решение этих задач позволяет учесть влияние волн, отраженных от излучающих апертур ПВТ, их волновых размеров и расхождение волнового фронта на полевые характеристики излучения ПВТ. Для указанных моделей ПВТ проанализировано влияния отраженных волн на частотные зависимости компонент собственного и взаимного сопротивления излучения пьезоцилиндров ПВТ и возбуждающих их электрических напряжений.

10. Для стержневых и пластинчатых ПАФВ и для ПВТ определены электрические токи и входные электрические характеристики (полная входная проводимость, ее активная и реактивная части, еоБф и т. д.) образующих их пьезоэлементов, коэффициент полезного действия ПАФВ и ПВТ, а также рассмотрено влияние конструктивных особенностей и вида возбуждения на указанные характеристики этих преобразователей.

11. Выполненные экспериментальные исследования ПВТ подтвердили основные положения результатов расчетов, полученных как для гармонического, так и импульсного режимов работы ПВТ: получение широкополосных АЧХ (до 3-3.2 октав) при излучении во фронтальном направлении и минимизации тыльного излучения почти на порядок в этой полосе частот; излучение коротких (1-1.5 периодов колебаний) акустических импульсов перестраиваемых в диапазоне 2-2.5 октав, а также - сложных по структуре сигналов на примере эхолокационных и коммуникационных импульсов китообразных (дельфины, белухи).

12. Предложен принцип построения и разработаны конструкции эффективных однонаправленных безэкранных преобразователей с клиновидными накладками и сокращенными почти в 2 раза размерами в направлении излучения (приема) звуковых волн на базе стержневых и дисковых (кольцевых) пьезоэлементов. Доказано, что система из двух идентичных осесиммет-ричных преобразователей с клиновидными накладками, обращенных друг к другу своими плоскими поверхностями и совершающих радиальные колебания, позволяет формировать на одной и той же частоте в режимах излучения и приема характеристики направленности монопольного, дипольного и кардиоидного типов.

Разработанные принципы построения и возбуждения преобразователей имеют подтверждения новизны в виде публикаций в журналах, рекомендованных ВАК и индексируемых в базах данных РИНЦ и Scopus, авторских свидетельствах и патентов на изобретения, патентов на полезные модели и программу для ЭВМ.

Научная и практическая значимость: Научная значимость работы заключается в решении задач синтеза и анализа для предложенных моделей преобразователей стержневого, пластинчатого и волноводного типов с амплитудно-фазовым возбуждением их пьезоактивных частей, определение влияния параметров преобразователей на их частотные и импульсные характеристики, выработка рекомендаций по построению и возбуждению преобразователей, а также - результатов исследования безэкранных преобразователей с клиновидными накладками и построенных из них систем.

Результаты исследований могут найти применение в средствах поиска и диагностики подводных объектов различной природы (отдельные пловцы, рыбные косяки, автономные подводные аппараты, затонувшие суда и т.п.); для подводной геологоразведки и поиска железомар-ганцевых конкреций; для мониторинга и защиты объектов морской деятельности (водного транспорта, акваторий, морских буровых станций, береговых сооружений) от несанкционированного проникновения, а также при проведении различного рода гидроакустических измерений. Применение перестраиваемых по частоте ультракоротких импульсов или более сложных по структуре акустических сигналов с электрически управляемыми спектрально-временными параметрами и пространственными характеристиками повышает информационную емкость, скрытность и помехоустойчивость работы гидроакустических систем. Возможность быстрой перестройки сложных акустических сигналов может быть использована при построении адаптивных гидроакустических систем, например, для связи с обучаемыми китообразными. Использование безэкранных однонаправленных преобразователей позволит отказаться от дополнительных экранирующих устройств, увеличивающих массо-габаритные параметра антенн.

Результаты исследований, представленные в диссертации, были внедрены при выполнении ОКР (Договор № 13.G25.31.0054, 2010-2012 гг) в АО «Концерн «Океанприбор», НИР (Госконтракт

№ 10216/2011/16, 2011-2014гг) в СПбГУ, НИР (Договоры № 10216/2011/16/1/7062/ЭУТ-223, 2011-2014гг и № 1/308-15 ЭУТ-225, 2015г) в СПбГЭТУ «ЛЭТИ», а также в учебном процессе на кафедре электроакустики и ультразвуковой техники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Внедрения подтверждены соответствующими актами.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Для стержневых и пластинчатых преобразователей с амплитудно-фазовым возбуждением (ПАФВ), пьезоэлемент которых электрически разделен на две части, возбуждение их согласно решению задачи синтеза, основанного на условии получения равномерной АЧХ и линейной ФЧХ излучения во всей полосе частот, позволяет обеспечить перестраиваемую в зависимости от соотношения длин частей полосу пропускания порядка двух и более октав, а также - формировать короткие (1-1.5 периодов колебаний) перестраиваемые по частоте акустические импульсы и более сложные по структуре сигналы, вид которых не зависит от характера нагрузки и параметров промежуточных слоев.

2. Для ПАФВ, пьезостержень которых электрически разделен на две части, их возбуждение согласно решению задачи синтеза, основанного на условии торможения тыльного торца пье-зостержня, позволяет обеспечить полную компенсацию тыльного излучения, и построить безэкранные однонаправленные широкополосные преобразователи, согласующие слои (накладки) которых выбираются в 1.2-1.4 раза тоньше, чем четвертьволновые (относительно случая синфазного возбуждения).

3. Использование излучения тыльной стороной фронтальной накладки стержневого преобразователя в сочетании с возбуждением его пьезостержня, электрически разделенного на две части и возбуждаемого в соответствии с решением задачи синтеза, основанной на условии отсутствия тыльного излучения преобразователя, позволяет обеспечить для него полосу эффективного однонаправленного излучения порядка 1.5 октавы.

4. Армирование широкополосных стержневых ПАФВ с помощью единой стяжки и дополнительных вставок, соединяющих с помощью эпоксидного компаунда пьезостержень и стяжку и имеющих изгибную жесткость в 5 раз большую, чем жесткость примыкающих к ней участков армирующей стяжки, позволяет устранить резонансные свойства единой армирующей стяжки из рабочего диапазона ПАФВ.

5. Построение преобразователя волноводного типа (ПВТ) в виде соосного набора акустически разделенных по торцам и заполненных жидкостью пьезоцилиндров и возбуждение их согласно решению задачи синтеза, основанного на условии распространения в жидкости бегущей волны и постоянства амплитуд колебательной скорости пьезоцилиндров во всем рабочем диапазоне частот ПВТ, обеспечивает полосу пропускания 3-3.3 октавы при излучении во фронтальном направлении и минимизацию в этой полосе частот тыльного излучения, которое уменьша-

ется с ростом числа пьезоцилиндров и реализуется при выполнении условия ё/а < 0.82, где ё -межцентровое расстояние между двумя соседними пьезоцилиндрами; а - их радиус.

6. Улучшение соответствия результатов расчетов и экспериментов обеспечивается решением задачи об излучении широкополосного ПВТ в произвольные по углу конусные фронтальное и тыльное полупространства, которое объединяет случаи излучения ПВТ в соосные волноводы и в полупространства и учитывает влияние отражения волн от апертур ПВТ и расхождения волнового фронта на его частотные, направленные и импульсные характеристики.

7. Способ возбуждения ПВТ, основанный на использовании линии задержки, обеспечивающей режим бегущей волны в заполненной жидкостью полости ПВТ, и линейно увеличивающихся с ростом номера пьезоцилиндра амплитуд возбуждающих электрических напряжений, обеспечивает во фронтальном направлении эффективное широкополосное излучение, полоса пропускания которого увеличивается с ростом числа пьезоцилиндров. Дополнительное использование одного общего корректирующего фильтра, подключенного до линии задержки, или N индивидуальных корректирующих фильтров, подключенных после линии задержки, позволяет уменьшить число пьезоцилиндров при обеспечении той же полосы пропускания.

8. Использование в гидроакустических преобразователях идентичных, симметрично расположенных, клиновидных пассивных накладок, внутри которых расположен и закреплен пьезоэлемент (стержень, диск или кольцо) так, что одна сторона клина параллельна направлению колебаний пьезоэлемента, позволяет обеспечить однонаправленное излучение (прием) звуковых волн без использования экранов и сокращение в 1.5-2 раза размера преобразователей в направлении излучения (приема) звуковых волн.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Степанов Борис Георгиевич, 2022 год

- / \ -

* 2 %

N \

1

1

0.25 0.5

0.75

х/Ь

0

0.25 0.5

0.75

х/Ь

а б

Рисунок 5.5 - Распределение упругих смещений (а) и механических напряжений (б) в пьезостержне ПАФВ с компенсацией тыльного излучения. Параметры ПАФВ: у/% = 1 .3 ;

а1у = 0.4; = 5.5■ 1 06 Па с/м; а = 0; д = д^ = 1 00; = = 1 .5• 1 06 Па с/м.

1 - р = 0.25; 2 - р = 0.5; 3 - р = 0.75

Следует отметить, что изменение добротности материала пьезостержня в пределах д «50... 500 для ПАФВ, согласно данным расчета, практически не сказывается на значениях

(х) и ан(х). Однако при синфазном возбуждении пьезостержня упругие смещения и механические напряжения, в том числе ^тах и атах, для указанных значений д изменяются (увеличиваются с ростом д ) в 1.4 раза в случае односторонней нагрузки пьезостержня и в 1.2 раза -в случае его двусторонней нагрузки.

Распределение упругих смещений и механических напряжений в пассивных слоях не зависит от характера возбуждения секций пьезостержня ПАФВ и в основном определяется его рабочей частотой и волновыми размерами слоев. Так, например, согласно [189] закономерность в распределении упругих смещений и механических напряжений в согласующем слое на участке от рабо-

0

чего торца пьезостержня к излучающей поверхности согласующего слоя ПАФВ сводится соответственно к росту значений £н (х) и уменьшению ан (х) .

При использовании многополуволновых преобразователей, в том числе с дополнительным амплитудно-фазовым возбуждением ПВ пьезостержней, выражения для интегралов 11 (0, х),

12 (0,х), ¡1 (х,£) и ¡2 (х,£) в формулах (2.7)-(2.10) определяются подобно (5.1), но с учетом зависимости напряженности электрического поля для каждого конкретного случая. В частности, для двухполуволнового преобразователя, содержащего два ПВ пьезостержня, можно воспользоваться (5.1), положив Еу = —Е2. Для двухполуволнового ПАФВ, ПВ пьезостержни которого дополнительно разделены на две секции (части), значения указанных интегралов будут расписываться уже по четырем областям: 0 < х/£ < р1, р < х/£ < р2, р2 < х/£ < рз и рз < х/£ < 1. При этом следует учесть,

что Е1 = —Е3 = Е1те^ф1 и Е2 = —Е4 = Е2Шв]ф2 . Ввиду очевидности получения выражений для интегралов и громоздкости их записи они не приводятся.

Рассмотрим некоторые примеры результатов расчетов для двухполуволновых преобразователей. Так, на рисунке 5.6 показан характер распределения нормированных упругих смещений и механических напряжений для односторонне нагруженного на воду преобразователя, содержащего только два ПВ пьезостержня и один согласующий слой, на частотах, соответствующих резонансной частоте преобразователя (в данном случае у/я = 1) и максимумам его АЧХ излучения (см. рисунок 2.42, а). Здесь, как в подразделах 2.8 и 2.9, в качестве расчетной модели принят вариант увеличения продольных размеров при построении многополуволновых преобразователей. Поэтому в данном случае суммарная длина пьезостержней равна 2£ .

1% н (х )|; |а н^1

0

0 0.4

0.8

1.2 1.6 х/1

Рисунок 5.6 - Распределение упругих смещений (—) и механических напряжений (---)

вдоль двухполуволнового преобразователя. р1 = р = 0.5; а^ = 0.5; = 6.75 • 106 Па- с/м;

а™ = 0; О = = 100. 1 - у/я = 0.88; 2 - у/я = 1; 3 - у/я = 1.12

Для многополуволновых преобразователей характерно наличие наименьшего минимума упругого смещения, расположенного в области середины последнего (в данном случае - второго) ПВ пьезостержня, внешний торец которого является тыльным (х = 2£). По мере приближения к

акустической нагрузке значения минимумов в распределении £н (х) возрастают. Ввиду односторонней нагруженности преобразователя механические напряжения на его тыльном торце равны нулю. При непосредственной нагрузке фронтального торца первого ПВ пьезостержня (х = 0) на воду на частоте у/я = 1 минимумы в распределении £н (х) и ан (х) уменьшаются почти до нуля, а максимумы возрастают, для выбранного значения добротности пьезостержней О = 100 -до %нтах(х) = антах(х) ~ 1.65 . В данном случае изменение добротности материала ПВ пьезостержней в пределах О « 50...500 отражается на значении указанных максимальных величин соответственно в пределах 1.23.2.65, т. е. они изменяются почти в 2.15 раза. Как уже отмечалось, при использовании дополнительного амплитудно-фазового возбуждения для ПВ пьезо-стержней, разделенных на две секции (части), изменение значения добротности О в указанных пределах практически не сказывается на виде и значении распределений £н (х) и ан (х).

На рисунке 5.7 показан характер распределения нормированных упругих смещений и механических напряжений для двусторонне нагруженного на воду двухполуволнового ПАФВ с одним согласующим слоем и компенсацией тыльного излучения [167] для разных положений границ раздела ПВ пьезостержней на секции (части), определяемых значением параметра (см. подраздел 2.9), и с сохранением его для каждого ПВ пьезостержня. При этом длины их приняты одинаковыми: р2 = 0.5 . Частота у/я = 1, на которой приведены распределения £н(х) и

н ( х Ж Ь н ( х )|

0.4

0.2

0

0

0.4

0.8

1.2 1.6

Рисунок 5.7 - Распределение упругих смещений (—) и механических напряжений (—) в двухполуволновом ПАФВ с компенсацией тыльного излучения. Параметры ПАФВ:

а1у = 0.435 7,..=ЬЛ(\6 Пя-гУм- п =п- п = п. =шп- у/я = 1.

1 - д = 0.3: р1 = 0.15,р2 = 0.5,р3 = 0.65; 2 - д = 0.5: р1 = 0.25,р2 = 0.5,р3 = 0.75; 3 - qi = 0.7: р1 = 0.35, р2 = 0.5, р3 = 0.85; 4 - =

ан (x), примерно соответствует положению низкочастотных максимумов для АЧХ излучения ПАФВ, обусловленных наличием одного согласующего слоя (ayv; zyv ).

Основные закономерности, отмеченные для однополуволновых двухсекционных ПАФВ с компенсацией тыльного излучения, в целом оказываются справедливыми и для многополу-волновых ПАФВ. Так, например, наименьший минимум в распределении (x) относится к последнему (тыльному) пьезостержню и всегда смещен от границы его раздела на секции в сторону рабочего торца ПАФВ. Поскольку при выполнении условия компенсации тыльного излучения (2.46) тыльный торец пьезостержня является неподвижным, то н(2L) = 0 и ан(2L) = 0 .

Для сравнения на рисунке 6.7 приведены результаты расчетов, когда фронтальный торец ПАФВ нагружен непосредственно на воду (кривые 4). Разделение на секции (части) здесь соответствует варианту 2: qi = 0.5. В этом случае хорошо видны оба минимума в распределении (x) и один минимум в распределении ан (x) в области состыковки ПВ пьезостержней.

Аналитические соотношения и результаты расчетов, полученные для гармонического режима работы ПАФВ, служат базой для определения характера изменения импульсов упругого смещения £(x, t) и механического напряжения а(x, t) вдоль пьезостержня ПАФВ при его работе в импульсном режиме, а также - оценки их максимальных значений. Ограничимся результатами расчетов для наиболее интересного случая работы ПАФВ в соответствии с решением задачи синтеза, позволяющего излучать короткие (1.1.5 периодов колебаний) перестраиваемые по частоте акустические импульсы [101], [170]. При этом импульсы упругого смещения £(x, t) и механического напряжения а(x, t) для заданного поперечного сечения x/L определим с точностью до постоянного множителя по формулам:

шв шв

£(x,t) = 2Re J £(x,ш)Ф(ш)ejшtdш и а(x,t) = 2Re J a(x,ш)Ф(шУatd®, (5.2) 0 0

где Ф(ш) - спектральная характеристика импульса, который должен излучить ПАФВ; юв -верхний предел интегрирования, определяющий полноту спектральных составляющих в спектральной характеристике Ф(ю) . В частности, спектральная характеристика для однопериодного импульса может быть определена по формуле (2.37). Подобно тому, как это делалось в разделах 2 и 4, с учетом принятого соотношения U = const, импульсы, подаваемые на первую и вторую

секции (части) пьезостержня, с точностью до постоянного множителя могут быть определены

шв шв

как: щ(t) = 2Re J Ф(ш)ejшtdш и u2(t) = 2Re J UV(ш)Ф(ш)^юtd ш . При этом импульс возбужде-0 0

ния щ (t) по форме будет соответствовать импульсу, который должен излучить ПАФВ, а импульс возбуждения u2(t) является корректирующим [128], [170].

В качестве примера на рисунке 5.8 показано изменение вида нормированных импульсов упругих смещений ( x, t ) (кривые 1) и механических напряжений ан ( x, t ) (кривые 2) для ряда поперечных сечений пьезостержня ПАФВ при условии требования об излучении им однопери-одного импульса, сформированного на частоте у = уим = шим£/с = 2к (шим = 2шо; T0 - период, см. подраздел 2.5). Параметры ПАФВ были приняты те же, что для рисунка 5.2. Изменение величины амплитуд импульсов упругих смещений ( x, t ) и механических напряжений ан ( x, t ) в целом соответствует их поведению, показанному на рисунке 5.2, однако амплитуды отдельных полупериодов, особенно для ан(x, t) оказываются в несколько раз больше, чем соответствующие их значения для гармонического режима работы ПАФВ. Как видно, структура импульсов ( x, t ) и ан ( x, t ) заметно меняется при переходе от одного поперечного сечения

пьезостержня к другому. В данном случае, поскольку zw = 0 и реализуется условие свободной границы, то при x/L = 1 величина ан ( x, t ) = 0. В рассматриваемом примере максимальные значения ан ( x, t ) во всем диапазоне частот не превышают, принятую для нормировки величину gmax.

ShCM); <гн(*,0

0.35

0

-0.35 -0.7

0 2 4 6 t/T0

0.7 0.35 0

-0.35 -0.7

0.7 0.35 0

-0.35 -0.7

2 4 6 t/T0 0 2 4 6 t/TQ

0.7 0.35 0

-0.35 -0.7

2 4 6 t/T0

а б в г

Рисунок 5.8 - Характер изменения импульсов упругого смещения (1) и механического напряжения

(2) вдоль пьезостержня. Параметры ПАФВ: p = 0.5; aiv = 0.25 ; ziv = 5 • 106 Пас/м; aqw = 0;

Q = Q1v = 100; FVm = 0.2; фк = y. а - x/L = 0; б - x/L = 0.33; в - x/L = 0.66; г - x/L = 1

При непосредственной нагрузке пьезостержня ПАФВ на воду и возбуждении его однопери-одным импульсом максимальные значения ан ( x, t ) для принятого на рисунке 5.8 уровня излучения в некоторых сечениях могут достигать (1...1.2)amax. Однако здесь следует иметь ввиду кратковременность действия максимальных механических напряжений. Как уже указывалось, максимально допустимые значения механических напряжений для пьезокерамики, определенные в статическом и гармоническом режимах заметно различаются. Следует ожидать, что пределы допустимых значений механических напряжений при их кратковременном воздействия будут существенно больше (подобно увеличению кавитационного порога с уменьшением длительности импульса), но это требует дополнительных как теоретических, так и экспериментальных исследований.

Поскольку упругое смещение и колебательная скорость связаны соотношением 4 = d^/ôt = - /сос,, то акустические импульсы, излучаемые ПАФВ (в данном случае один период колебаний на частоте юим) с учетом заданной по задаче синтеза колебательной скорости

о

о

а также формируемые им импульсы с учетом формулы с,у(а) = — /0^(0,ю)Ку, полностью совпадают. Здесь Ку - коэффициент передачи по колебательной скорости через пассивные слои с входным импедансом 2у (см. формулы (2.21) и (2.22)).

5.2. Распределение упругих смещений и механических напряжений по толщине

пластинчатого преобразователя

В разделе 4 рассматривались частотные характеристики модели ПАФВ в виде двух пьезо-пластин, разделенных промежуточным пассивным слоем, нагруженных на входные импедансы

2у и 2^, возбуждаемые независимыми электрическими напряжениями: 4г- (ш) = 4т(ш)е^'(ш), где / = 1, 2 (см. рисунок 4.1). При решении задачи синтеза определенный интерес представляет характер распределения вдоль такого ПАФВ упругих смещений и механических напряжений. Решение граничной задачи для этого ПАФВ позволяет найти значения неизвестных коэффициентов для выражений (4.3), (4.4) и (4.6) и записать их в явном виде для распределения упругих смещений и механических напряжений вдоль него [171]:

§(1) = А1со^ау + у; §(2) = А2С0^с{у + В^аУ; ^(С) = А^^с^У + Вс^пасгСУ- (5 3)

аЗ? = N ^

а32) = N Ь2

- А,

со^с1 У-

С0Б2сУ"

ып^с у +

Р

Р1У

■81ПР1У

- А

ытг^ у + —— (соыр1У -1) Р1У

Ц\

Р1

Р

(1 - Р2)У

(ы1пу - ы1пр2 у)

Р

(1 - Р 2)У

(соыу - С0ЫР2у)

и

1 - Р 2

(5.4)

а33 = — [ Вссоы^с га у - А^та га у],

где А(у) =

( „ \

V

а (у)а (у) - а(у)^1(у)

£

¡5ш(АРасУ) + [А (у)А (У) + А (уЖ (У)] cos(АpacУ);

А =

N

4. / £с

А(у)\ Р1

[ £ (у)Б1пР1у + £ (у) (1 - СОБР1У)] соБ(Арасу)

+

Г г *

V гк у

А (У)81пР1У - А (у) (1 - С0ЗР1У )

Бт(Арасу) [• —— £>3 (у) 1 —— б1пр1у 1 - Р2 гк

' Р

V Р1У

В =

А(у)А(у) -

V г к.

£2(У)соР1У

ы1п(Ара су) -

- — [£2(У)£4(У) + А(У)соР1У] со8(АрасУ) I +

42 гс 1 - Р2 гк

А(у)

Р ,

(1 - С0БР1У)-+ ]

У

Р1У

к

к

А2 = ТГТ( — — (у) +

А (у)\ Р1

1" Р2

(у) +

V -к J

Р2 (У¥ПР2У

: з1п(Арасу) + -с [(у>тР2у - ^2 (У)^5 (У)] ^(АРасу ;> '

/ Ц. / -с,

2 А (у)\ Р1

& — ! ^(у)^(у) } +

ж^шу)--с| ^2(у)с°Р2у

V V

X

8Ш(АрасУ) - [^!(у)со8р2у + М^б (У)]С0§(АРасУ) 1" );

Ас =

N

и их.

А(у)\ Р1

^з(у)

£>1 (у)sinac Р2У —- (у)соБас Р2у

+ ■

^ 1 ^з(у)

1 - Р 2

(У)^пасР1 У + — ?2 ^^сР^

& ^ ! ^з(у)

А(у)\ Р1

^у^^с Р2У + — ^2 (У)sinac Р2у

+ ■

^ ! ^з(у)

1 - Р 2

- Fl(у)cosac Р1У + — ^2 (у)sinac Р1У

А(у) =

Р

(1 - Р2)У

£

2 - 2cOs(1 - Р2 )У + sin(1 - Р2 )У

- sin(1 - Р2 )у - 7 — СО^1 - Р2 Ж

^(у) =

в . + /г

(1 - Р2)У -к Ь

мп(1 - Р2 )у - cos(1 - Р2 )у;

(У) =1 - с^(1 - Р2 )У+7—гsin(1 - Р2 )У; вА (У) = +^пР!у;

-к Ь

-к Ь

Р ( — ^

(у) =- 2 - 2соБР1У + 7 —— Б1пР1у

Р1у

-81пР1У- соБР1У;

-к Я

*2(у) =

Р

л

+ У

^4(у) = ^у-

Р1У -кЬ

Р

(1 - Рг)у

Б1ПР1У - соБР1у; ^з (у) = 1 - соБР1У + 7 —^ Б1ПР1У;

(siny - sinp2у) - 7 sinу; (у) = cosy - cosp2у - 7 siny;

-к Ь

(у) = siny - ^Р2у + 7 —г cosу; (у) = siny + ——Р ^ (cosy - cosp2У) + 7 ^^ cosу;

(1 - Р2)у

N =

_ _езз _ езз .

5 Ш-к^ Сззу

; N = шгк; Р = ^зз; кзз - коэффициент электромеханической связи;

= ^^ - относительная координата; у = кё; ac = сР/сс; = рксР; гс = рссс .

к

к

Для ряда вариантов построения пластинчатых ПАФВ в соответствии с (5.3) и (5.4) были рассчитаны распределения упругих смещений и механических напряжений, когда возбуждение ПАФВ осуществляется в соответствии с решением задачи синтеза. При этом в формулах (5.3) и (5.4) и для коэффициентов А, Ву, ..., Ас, Вс использовалось выражение (4.9) для отношения возбуждающих электрических напряжений С^/СД. Результаты расчетов распределения упругих смещений (х) и механических напряжений сн (х) вдоль пьезоактивного блока пластинчатого ПАФВ нормированы к соответствующим максимальным значениям амплитуд ^тах и атах, которые определялись для модели односторонне нагруженного на воду пластинчатого преобразователя ( в = 0; р^ = Р2 = р = 0,5 ) без пассивных элементов, состоящего из двух пьезо-

пластин, возбуждаемых синфазно.

Здесь следует отметить, что при синфазном возбуждении пьезопластин указанного ПАФВ значения упругих смещений и механических напряжений, в том числе ^тах и дтах, оказываются зависящими от значений параметров в и р (рисунки 5.8 и 5.9) [171]. При этом характер изменения (г) и сн (г) вдоль пьезоактивного блока, состоящего из двух пьезопла-стин, в целом сохраняется, несмотря на уменьшение частоты полуволнового резонанса до Ур « 0.75л: с увеличением коэффициента электромеханической связи до в = 0.5, что обусловлено действием прямого пьезоэффекта [52].

Приведенная на рисунке 5.8 зависимость ^тах и атах от значения параметра в подобна

той, которая получается для обычной пьезопластины толщиной ё . Однако в последнем случае

значения упругих смещений, механических напряжений и колебательной скорости будут

в 2 раза меньше, чем для рассматриваемой модели пластинчатого преобразователя, состоящего из двух пьезопластин. Это объясняется тем, что при условии одного и того же возбуждающего

|^шах|> |Стах 1.0 0.75 0.5 0.25 0

тах|>

С

тах 1.25 1.0 0.75 0.5 0.25 0

1 1 _ 2 1

: 1

ч.

- х .........— —

_ з ................................. _

I 1 |

0.1 0.2 0.3 0.4 Р

0 0.2 0.4 0.6 0.8 Р

Рисунок 5.8 - Зависимость с,т,|х и Стах от в Рисунок 5.9 - Зависимость с,т,|х и Стах от р

для пластинчатого преобразователя; р = 0.5. 1 — ^тах; 2 — Стах

для пластинчатого преобразователя. 1 - ^тах и Стах при в = 0; 2 - ^тах и 3 - Стах при в = 05

электрического напряжения напряженность электрического поля в обычной пьезопластине толщиной d будет в 2 раза меньше, чем для модели пластинчатого преобразователя, состоящей из двух пьезопластин толщиной d/2 .

В случае изменения соотношения между толщинами пьезопластин такого ПАФВ, определяемого параметром p (промежуточный слой отсутствует), несмотря на возможное изменение в

несколько раз напряженностей электрического поля Е(1) и Е(2), когда p Ф 0.5, максимальные значения ^max и amax, как интегральная реакция всего пьезоактивного блока, изменяются существенно меньше (рисунок 5.9). Причем для случая ß = 0 зависимости ^max и amax от параметра p практически совпадают и оказываются симметричными относительно значения p = 0.5 (кривые 1). С увеличением ß указанные зависимости начинают различаться, их симметрия нарушается и максимальные значения в этих зависимостях смещаются в сторону меньших значений p (ближе к нагруженному на воду торцу пластинчатого преобразователя).

При возбуждении пластинчатого ПАФВ в соответствии с решением задачи синтеза [161] на рисунке 5.10 приведены результаты расчетов распределения упругих смещений и механических напряжений для трех разных частот, когда ПАФВ является односторонне нагруженным на воду и состоит только из двух пьезопластин равной толщины и защитного слоя ( ayv ; zyv ), выполненного, например, на базе водостойкого компаунда УП-592-11 и расположенного перед первой пьезопластиной [171]. Здесь и в других примерах расчета предполагается, что поперечные сечения пьезопластин и пассивных элементов одинаковы: Чу w = Sy w/S = 1; Yc = Sc/S = 1. Уровень равномерной АЧХ излучения задавался в ограниченном диапазоне частот (см. подраздел 4.2) равным FyN(у) = 0.2 при у е [я , 3л:] с убыванием по краям при ye[0,i] и у е [3 л , 4л] по

закону FyN(y)sin4(0.5у), что обеспечивает полосу пропускания Af / f « 2.15 октавы. ФЧХ излучения принималась в виде фу (у) = у .

При выполнении расчетов, подобно [126] и [161], электрическое напряжение Ui, возбуждающее первую пьезопластину, выбиралось в качестве опорного, для которого принималось Uim = 1 и ф1 = 0. В этом случае характер изменения амплитуды U2m и фазы ф2 электрического

напряжения U2 , возбуждающего вторую пьезопластину, будет определяться отношением амплитуд U2m/Uim и разностью фаз Аф21 =ф2 — Ф1 отношения U2/U . Указанное обстоятельство иллюстрируется на рисунках 5.10, а и б. Распределение упругих смещений (z) и механических напряжений ан(z) на кратных частотах у, указанных на рисунках 5.10, в и г, в целом соответствует количеству полуволн, укладывающихся по длине пьезоактивного блока ПП, и носит плавный характер. Однако на низких частотах рабочего диапазона ПП в распределении упругого

3 у/л

АФ/ (V) л/2

О

-л/2 -л.

■1 1 1 1 Ф1

■1 лх 1 1 К"

а

1 2 3

б

у/

л

|£н (0)1 0.15

0.1

0.05

0

н (0)| 0.2

0.1

"1-Г

"1-Г

0 0.2 0.4 0.6 0.8 г/й

0 0.2 0.4 0.6 0.8 г/й

в г

Рисунок 5.10 - Частотные зависимости амплитуд (а) и фаз (б) возбуждающих электрических напряжений и распределение упругих смещений (в) и механических напряжений (г).

Параметры ПАФВ: р = р = р = 0.5; а^ = 0.1; г^ = 2.5• 106 Пас/м; гу = 1.5• 106 Пас/м; г^ = 0; г = 30 • 106 Па с/м; р = 0.4; 0 = = 100. 1 - у/л = 1; 2 - у/л = 2; 3 - у/л = 3

смещения (г) наблюдается излом на границе между пьезопластинами г/й = р = 0.5, который с увеличением частоты постепенно сглаживается. В данном примере для выбранного уровня излучения Гун (у) максимальные значения (г) и (г) в рабочем диапазоне частот ПАФВ отличаются примерно в 1.9 раза, несмотря на различия в амплитудах возбуждающих напряжений и в этом диапазоне частот до 4.8 раза, причем сами значения (г) и (г) оказываются существенно меньшими, чем соответствующие величины при синфазном возбуждении ПАФВ. Такое своего рода «усреднение» реакции пьезоактивного блока ПАФВ связано с взаимодействием пьезопластин, жестко связанных друг с другом.

Приведенный характер изменения (г) и (г) в целом сохраняется, если выбрать другие частоты, которым соответствуют максимальные или минимальные значения Ц2т относительно ^1т. Однако в этом случае наблюдаются небольшие изменения между величиной и положением максимумов и минимумов в распределении (г) и (г) в зависимости от волнового размера у = Ы пьезоактивного блока ПАФВ.

2

0

0

1

2

0

3

2

Указанное «усреднение» реакции пьезоактивного блока ПАФВ, несмотря на разницу в амплитудах возбуждающих электрических напряжений, проявляется также при увеличении уровня излучения Е^ (у), которое сопровождается увеличением различия между амплитудами электрических напряжений Ц^т и и\т в определенных частотных областях [171]. Так на рисунке 5.11 для ПАФВ, параметры которого соответствуют принятым для случая на рисунке 5.10, приведены АЧХ излучения и частотные зависимости и2т и Ф2, характер изменения которых определяется заданным уровнем излучения Е^ (у) .

Еуы( У)

0.8

0.6 -

0.4 -

0.2 - _

0

Цгт(У)

20 1 1 1 3 / \

15 -

10 - ■-■ 2 \ \ \ ~

5 _ • : : / 1

0 ■ ■ ■-■ V-1 -----1......'''1.........

0 1 2 3 у/

ЛфДу) тс

тс/2

0 Кг; -ж/2 -ж

Ф1

я "

гт- а« _

/ 1 /

■■2', 3 _|_

1

3 у/ж

а

б

Рисунок 5.11 - АЧХ излучения (а), частотные зависимости амплитуд и2т и Ц1т (б) и фаз ф2 и ф1 (в); фу (у) = у. 1 - Е^(у) = 0.2; 2 - Е^(у) = 0.4; 3 - Е^(у) = 0.8

На рисунке 5.12 для этих значений Е^(у) показано распределение упругих смещений (г) и механических напряжений ан(г) на трех разных частотах у . Указанные для рисунка 5.12 значения нормированных частот у/тс соответствуют положению двух максимумов и одному минимуму на частотной зависимости ^2т (см. рисунок 5.11, б). Согласно результатам расчетов с увеличением задаваемого уровня излучения в целом сохраняется форма распределения упругих смещений и механических напряжений на выбранных частотах, а также пропорционально увеличиваются амплитуды этих распределений. Для уровня излучения Еу^(у) = 0.8 только в области частоты у«2.4тс, для которой ^2т превосходит Ц1т в 18 раз, максимальные значения ан(г) несколько превышают значение атях , принятое для нормировки.

В частности отметим, что задаваемый уровень излучения ЕуN (у) « 0.4 соответствует излучению синфазно возбуждаемого, односторонне нагруженного на воду пластинчатого преобразователя (Р = 0.4; р = 0.5), содержащего один четвертьволновый согласующий слой (а^ = 0.625;

21у = 5.5• 106 Пас/м) и обеспечивающего полосу пропускания Д^// « 50%. В этой полосе частот максимальные значения механических напряжений находятся в пределах стн(г) « 0.08...0.18. В случае ПАФВ, как указывалось в [123], использование промежуточного слоя типа согласующего позволяет уменьшить амплитуды пульсаций в частотной зависимости

в

^ ( z)| IIII %н (z)| IIII I^K ( z)| iiii

0.15 - 1 - 0.3 " 1 " 0.6 " 1 "

0.1 " 2 - 0.2 - i »-. — 2 0.4 " 2 "

0.05 1 .... 3,-, 0.1 К AK 0.2 L ... 3... . \ / \*

0 . . ./ ■. . . ■■■■ i i V i I". 0 '■■■■'l -"i '■■■' 1 í-"' 0 л/ ■' '.. \y ■■ l ■■ l rv

D 0.2 0.44 0.(5 0.8 z/d Э 0.2 0.4 0.6 0.8 z/d 0 0.2 0.4 0.6 0.88 z/d

^ ( z)| IIII 2 " 1 Л /-Г Ьн ( z)| iiii 2 К (z)| IIII 2

0.2 0.4 1 /"'■■. .. — 0.8 1 .A

0.1 4 . » . . . /-. \ : ■. •. ♦ ■ • \ . 0.2 .-■'"■-. ■•' '■■ 3/ ■ « ■ * ■ ■ 0.4 j/ ' / \ •

n i» .. щ . r' i " i i ■■■ i o (' 1 - 1 1 "'■-1- o i i •■' i i '-.Л---*-

0 0.2 0.4 0.6 0.8 z/d Э 0.2 0.4 0.6 0.8 z/d 0 0.2 0.4 0.6 0.88 z/d

Fvn (у) = 0.2 Fvn (у) = 0.4 Fvn (у) = 0.8

Рисунок 5.12 - Распределение упругих смещений (x) и механических напряжений ан(x) .

1 - у/я = 1.2; 2 - у/я = 2.4; 3 - у/я = 2.9

отношения U2m/Ujm , при этом толщину этого слоя целесообразно выбирать в 2.3 раза меньшую, чем для случая синфазного возбуждения. В частности, использование слоя с параметрами aiv = 0.25; Ziv = 5.5• 106 Пас/м позволяет уменьшить максимальные значения (z) и ан(z) в

среднем в 2.2.5 раза относительно результатов, приведенных на рисунке 5.12. Тогда для уровня излучения Fvn (у) = 0.4 ПАФВ могут быть получены величины максимальных значений ан (x), сопоставимых со случаем синфазного возбуждения этого преобразователя. Следует отметить, что указанный результат сохраняется при изменении параметров слоя в достаточно широких пределах, например: aiv « 0.15...0.35 ; ziv « (3.5...6.5) • 106 Па с/м.

Для варианта построения пластинчатого ПАФВ, когда он состоит из пьезопластин разной толщины, причем первая пьезопластина в три раза больше второй (p = = p = 0.75) , возможно расширение полосы пропускания в область более высоких частот. При этом равномерную АЧХ излучения Fvn(у) целесообразно задавать в диапазоне частот у е [2я, 6я] с убыванием по

краям уе[0, 2я] и уе[бя, 8я] по закону Fvn (у) • sin4 (0.25у) [161]. На рисунке 5.13 приведены частотные зависимости амплитуд и фаз электрических напряжений, возбуждающих пьезо-пластины ПАФВ, а также распределение упругих смещений (z) и механических напряжений

ан (z) на частотах у, соответствующих ряду максимумов на частотной зависимости U2m. При выполнении расчетов уровень излучения был принят Fvn (у) = 0.2, а ФЧХ излучения tyv (у) = У .

а б

в г

Рисунок 5.13 - Частотные зависимости амплитуд (а) и фаз (б) возбуждающих электрических напряжений и распределение упругих смещений (в) и механических напряжений (г).

1 - у/тс = 2.3; 2 - у/тс = 4.3; 3 - у/тс = 6.2

Остальные структурные параметры ПАФВ приняты такими же, как и для рисунков 5.10-5.12. На низких частотах рабочего диапазона ПАФВ характерный излом в распределении упругого смещения (г) также проявляется на границе между пьезопластинами и соответствует

г/ё = р = 0.75. Максимум механических напряжений ан(г) в области расположения второй (тыльной) пьезопластины, который проявляется на частотах у « 6.2тс...6.4тс, во многом зависит также от параметра р , определяющего соотношение между толщинами пьезопластин. При значениях р > 0.75 этот максимум достаточно быстро уменьшается и сравнивается с уровнем предшествующих, следуя за характером изменения .

Другим вариантом построения пластинчатого ПАФВ, который, подобно предыдущему случаю, позволяет сформировать полосу пропускания в диапазоне частот у« 1.5тс...6.5тс и более, является использование промежуточного пассивного слоя с удельным импедансом гс, сопоставимым с удельным импедансом пьезопластин гк (см. подраздел 4.2). В этом случае могут быть использованы пьезопластины одинаковой толщины, например, когда р = 0.25; р2 = 0.75; Др = р2 — Р1 = 0.5 . Для такого варианта построения пластинчатого ПАФВ в качестве сравнения на рисунке 5.14 приведены частотные зависимости амплитуд и фаз электрических напряжений,

а также распределение упругих смещений (х) и механических напряжений ан(х) на тех же частотах у, что и для случая, показанного на рисунке 5.13. АЧХ и ФЧХ излучения, параметры защитного слоя и характер нагруженности здесь приняты также как для рисунка 5.13; гс = гк = 30-106 Пас/м; ас = 1; 0 = 0С = 100; р = 0.4 .

и1т( У)

4

1 1 1 1 /

и2т

1 1 1 1т

|£н ( 4 0.08

0.06

0.04

0.02

0

а

у/я

1 1 1 1 1

'« » " - 2 ф _ » . ■ ■ а •

'Л/У Л/

Аф/ з^

71/2 0

-71/2

-71

0 0.2 0.4 0.6 0.8 г^

Ьн (г)|

0.15 0.1 0.05 0

4

б

6 у/я

0 0.2 0.4 0.6 0.8 г^

Рисунок 5.14 - Частотные зависимости амплитуд (а) и фаз (б) возбуждающих электрических напряжений и распределение упругих смещений (б) и механических напряжений (г). р1 = 0.25; р2 = 0.75 ; Ар = 0.5. 1 - у/тс = 2.3; 2 - у/тс = 4.3; 3 - у/тс = 6.2

Как видно, характер частотных зависимостей и ф2, а также средние значения (г) и ан (г) на одних и тех же частотах для рисунков 5.13 и 5.14 в целом подобны друг другу. Однако характер распределения (г) и ан (г) для сопоставляемых вариантов построения ПАФВ в низкочастотной части их рабочего диапазона несколько различается. В частности, в распределении упругого смещения (г) наблюдаются 2 излома на границах пьезопластин с промежуточным пассивным слоем. Изменение параметров материала промежуточного слоя в достаточ-

6 3

но широких пределах (гс « (20...40) • 10 Па с/м; сс « (2...6) • 10 м/с) для его заданной толщины

Ар мало сказывается на максимальных значениях (г) и ан (г). Однако значение скорости

звука сс в промежуточном слое будет влиять на характер распределения упругих смещений и ме-

2

0

0

2

4

6

0

2

в

г

ханических напряжений. Так, в зависимости от соотношения ас = ск/сс « 2...0.6 в области расположения промежуточного слоя будет соответственно увеличиваться или уменьшаться число осцил-ляций (г) и ан (г) относительно случая ас = 1, что особенно проявляется с ростом частоты.

Влияние удельных импедансов полубесконечных сред гу и гw, принятых соответственно в качестве фронтальной и тыльной нагрузок, по-разному отражается на характере поведения (г) и ан (г) . Так, увеличение импеданса среды гw, которая может служить демпфером (вплоть

до гw = 30 • 106 Пас/м), для заданного уровня излучения и рассмотренных вариантов построения

пластинчатого ПАФВ, нагруженного другой стороной на воду (гу = 1.5 • 106 Пас/м), в основном приводит к постепенному увеличению ан (х) при г = d и сравнительно слабо отражается на виде распределения (г) и ан(г) в целом. Увеличение импеданса среды (воды) в т раз, когда используется защитный слой с параметрами, указанными для рисунка 5.10 и гw = 0, приводит к росту максимальных значений (г) и ан(г) примерно в т/2 раз. При этом в целом сохраняется вид распределения (г) и ан (г) относительно ранее приведенных результатов. Причем в зависимости от заданного уровня излучения максимальное значение механического напряжения ан(г) может превысить величину атях , принятую в качестве нормировки. В частности, это наблюдается для Еу^ (у) = 0.2, когда т > 10 . Однако, если в качестве защитного (переходного) слоя использовать не эпоксидный компаунд, а материал с большим значением удельного импеданса, например гуу « гу/2, то ситуация выправляется и максимальные значения ан(г) не превышают атях , даже при гу > 40• 106 Па с/м [171].

5.3 Выводы по разделу

Проведенный анализ распределения упругих смещений и механических напряжений для различных вариантов построения и возбуждения стержневых и пластинчатых ПАФВ показывает, что, несмотря на получающиеся в ряде случаев большие различия в амплитудах возбуждающих электрических напряжений (особенно на краях полосы пропускания ПАФВ), использование амплитудно-фазового возбуждения в целом не приводит к превышению максимального механического напряжения принятого для нормировки атях при синфазном возбуждении преобразователей, как для целей расширения полосы пропускания, так и компенсации тыльного излучения. Для уменьшения максимальных значений механических напряжений целесообразно использовать переходные или согласующие слои (последние рекомендуются для стержневых ПАФВ с компенсацией тыльного излучения). Полученные аналитические соотношения и результаты расчетов могут служить базой для определения характера изменения короткого импульсного сигнала вдоль ПАФВ и оценки максимальных значений механических напряжений в импульсном режиме.

6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ВОЛНОВОДНОГО ТИПА

Преобразователи волноводного типа (ПВТ) относятся к акустическим системам, формирующим бегущие вдоль оси преобразователя акустические волны. В построении таких преобразователей можно выделить ряд решений. К одному из них относятся антенны бегущей волны, образованные отдельными преобразователями, расположенными вдоль прямой (оси антенны) и возбуждаемыми с временной (фазовой) задержкой т = d/cq, обеспечивающей синфазное сложение акустических волн во внешней среде вдоль этой оси, где Cq - скорость звука в среде (жидкости); d - межцентровое расстояние [8]. Характеристика направленности такой антенны формируется вдоль ее оси, а полоса пропускания в основном определяется параметрами, образующих ее преобразователей. К другому решению относятся преобразователи, колебательная система которых образована жестко соединенными между собой пьезоэлементами в виде стержня, возбуждаемыми с временной (фазовой) задержкой т = d/cR, обеспечивающей синфазное сложение акустических сигналов, распространяющихся (со скоростью звука ск ) вдоль преобразователя к нагрузке [172], [173]. Излучение происходит с торца такой стержневой системы, причем широкополосность ее в значительной мере будет зависеть от согласования импедансов торца преобразователя и среды. В третьем возможном решении активная часть преобразователя состоит из набора параллельных друг другу тонких пьезопластин, отстоящих одна от другой на последовательно увеличивающихся расстояниях [19, с. 177-180]. Пространство между пьезо-пластинами заполняется средой с удельным импедансом равным импедансу среды, в которую происходит излучение с последней пьезопластины. Каждая i -ая пьезопластина подключена к своему генератору через корректирующее пассивное R -Ц звено. Варьируя элементами звеньев, расстояниями между пьезопластинами можно, по утверждению авторов, получить широкополосную АЧХ излучения. Еще одним вариантом решения являются стержневые преобразователи, на излучающем торце которых установлен пассивный волновод, излучающий звуковые волны в среду своей внешней боковой поверхностью и формирующий характеристику направленности вдоль оси преобразователя [174], [175]. Путем изменения материала волновода и его формы можно управлять характеристикой направленности таких преобразователей, которые обладают достаточной глубоководностью и эффективностью, однако их полоса пропускания, как правило, составляет 20-40 % .

Рассматриваемые в данном разделе варианты построения и возбуждения ПВТ предусматривают возможность расширения их полосы пропускания до двух-трех октав и более, а также удобство их компоновки в антенне. Благодаря амплитудно-фазовому возбуждению ПВТ, обеспечивающему режим бегущей волны вдоль него, формируется практически линейная фазо-частотная характеристика (ФЧХ) излучения, что позволяет излучать короткие, перестраиваемые по частоте акустические импульсы, а также более сложные по структуре сигналы китообразных.

6.1. Предварительные данные. Излучение пьезоцилиндра через его торцевые апертуры в цилиндрические волноводы

В [102], [176], [177] были рассмотрены физические принципы построения и работы идеализированной модели цилиндрического ПВТ, на внутренней поверхности которого задавалось непрерывное распределение радиальной компоненты колебательной скорости в виде бегущей волны. Внутренняя полость такого ПВТ заполняется жидкостью, а излучение происходит через его открытые апертуры в соосные волноводы. Указанная модель ПВТ позволила оценить его возможности как эффективного широкополосного излучателя. Реализация такой модели ПВТ может быть осуществлена в виде соосного набора N пьезоцилиндров длиной I (L = Nl) и радиусом внутрен-

ней поверхности а, на которой заданы колебательные скорости: c,/7(z,/;)

г=а