Акустическая антенна

 

Изобретение относится к акустическим антеннам и может быть использовано для излучения и приема волн в жидкости. Сущность изобретения: акустическая антенна, содержащая две скрепленные между собой пьезоэлектрические пластины, изготовленные из жестко соединенных, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда пьезоэлементов с нанесенными на двух их противоположных гранях электродами 5 и расположенных так, что направления первоначальной поляризации пьезоэлементов в каждой из двух пластин одинаковы, при этом поверхности электродов (5) пьезоэлементов (4) первой пластины перпендикулярны плоской границе между пластинами, а электроды каждого пьезоэлемента этой пластины электрически соединены с электродами ее соседних пьезоэлементов; поверхности электродов (5) пьезоэлементов (4) второй пластины параллельны плоской границе между пластинами, а электроды 5 каждого пьезоэлемента (4) этой пластины электрически изолированы от электродов ее соседних пьезоэлементов, обеспечивает при подаче на электроды (5) пьезоэлементов 4 соответствующих переменных электрических напряжений одностороннее излучение акустических волн без включения в состав антенны акустического экрана. Технический результат - упрощение конструкции, уменьшение габаритов антенны и уменьшение ограничений на рабочие глубины ее погружения в водную среду. 2 ил.

Изобретение относится к области технической акустики и может быть использовано при создании акустических антенн с односторонним излучением волн.

При использовании классификации гидроакустических антенн, содержащейся в /1/, аналогами изобретения являются интерференционные дискретные гидроакустические антенны, в состав которых входят электроакустические пьезокерамические преобразователи, собранные из пьезоэлементов, и акустические экраны. Конструкция аналогов изобретения описана в главе 6 /2/. Электроакустические (гидроакустические) преобразователи антенны предназначены для преобразования электрической энергии в акустическую и обратно и для создания пространственной концентрации энергии излучаемых и принимаемых акустических волн. Акустические экраны предназначены для исключения излучения акустической энергии тыльной и боковой поверхностями преобразователей (антенн). Согласно /2/ акустические экраны, обеспечивающие максимальное отражение акустической энергии, излучаемой тыльной поверхностью преобразователей (антенн), необходимо изготавливать в виде резиновых листов или металлических пластин, толщина и материал которых должны соответствовать частоте излучаемых антенной волн и гидростатическому давлению на антенну, зависящему от глубины ее погружения.

Прототипом изобретения является наиболее близкая к нему по технической сущности непрерывная гидроакустическая антенна, имеющая в своем составе биморфные пластинчатые электроакустические преобразователи, описываемые в /2/, и одну из разновидностей акустического экрана, описываемых в /2/.

Простейший биморфный пластинчатый преобразователь представляет собой две скрепленные между собой пьезоэлектрические пластины, закрепленные в опорах. Современные электроакустические преобразователи, входящие в состав прототипа, наиболее часто изготавливают из пьезоэлектрической керамики. В этом случае каждую из пластин биморфного пластинчатого электроакустического преобразователя собирают, механически жестко соединяя друг с другом по поверхности двух их граней поляризованные пьезоэлементы, каждый из которых выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, с электродами, нанесенными на две его противоположные грани. При этом расположение пьезоэлементов такое, что направления первоначальной поляризации пьезоэлементов в каждой из пластин одинаковы, поверхности электродов пьеэоэлементов в обеих пластинах перпендикулярны плоской границе между пластинами, а электроды каждого пьезоэлемента каждой пластины, электрически соединены с электродами ее соседних пьеэоэлементов /2, с.140/.

В верхней части фиг.1 показаны вид спереди и сверху такого биморфного пластинчатого преобразователя, закрепленного в опорах 3. В нижней части этой фигуры показано в аксонометрической проекции расположение электродов 5 на гранях двух пьезоэлементов 4 биморфного преобразователя с направлением их первоначальной поляризации от левых электродов к правым. При этом один из пьезоэлементов входит в состав первой (задней) пластины с наружной поверхностью 2, а второй входит в состав второй (передней) пластины с наружной поверхностью 1.

При подаче синфазных переменных напряжений на электроды 5 пьезоэлементов 4 одной пластины биморфного преобразователя вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта пьезоэлементы будут синфазно периодически растягиваться и сжиматься с наибольшим изменением размеров по направлениям их поляризации. Если одинаковые амплитуды синфазных переменных напряжений, подаваемых на электроды пьезоэлементов одной пластины преобразователя, сделать равными нулю или отличными от одинаковых амплитуд синфазных переменных напряжений, подаваемых на электроды пьезоэлементов другой пластины преобразователя, то периодическое изменение размеров пьезоэлементов по направлению их поляризации в одной и другой пластинах будет разным. За счет этого наружные поверхности 1 и 2 биморфного пластинчатого преобразователя будут периодически отклоняться от положения равновесия, принимая форму, показанную на фиг. 1 штриховыми линиями для отклонения в одну сторону от положения равновесия. Поскольку в данном случае происходят периодические отклонения от положения равновесия обеих наружных поверхностей биморфного пластинчатого преобразователя, то он возбуждает во внешней среде акустические волны, распространяющиеся в двух противоположных направлениях. На практике обычно требуется излучать волны только в одном направлении. Поэтому акустическая антенна, изготовленная с использованием биморфного пластинчатого преобразователя, для исключения излучения акустических волн одной из сторон этого преобразователя должна иметь в своем составе акустический экран /2, с. 172/. Включение в состав антенны акустического экрана усложняет ее конструкцию. увеличивает габариты и ограничивает рабочие глубины ее погружения в водную среду. Техническим результатом данного изобретения является устранение этих недостатков за счет исключения из состава акустической антенны акустического экрана.

Технический результат достигается при таком возбуждении колебаний малых частиц биморфного пластинчатого преобразователя, когда возникают колебания относительно положения равновесия только одной, соприкасающейся с водой, плоской поверхности этого преобразователя, а противоположная его поверхность при этом остается неподвижной. Технический результат достигается тем, что акустическая антенна для одностороннего излучения акустических волн, содержит биморфный пластинчатый электроакустический преобразователь из двух скрепленных между собой пьезоэлектрических пластин, изготовленных из механически жестко соединенных друг с другом поляризованных пьезоэлементов, каждый из которых выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с электродами, нанесенными на две его противоположные грани. При этом расположение пьезоэлементов такое, что направления их первоначальной поляризации в каждой из пластин одинаковы, поверхности электродов пьеэоэлементов первой пластины перпендикулярны плоской границе между пластинами, а электроды каждого пьезоэлемента этой пластины электрически соединены с электродами ее соседних пьезоэлементов, поверхности электродов пьезоэлементов второй пластины параллельны плоской границе между пластинами, а электроды каждого пьезоэлемента этой пластины электрически изолированы от электродов ее соседних пьезоэлементов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая антенна отличается от него расположением поверхностей электродов второй пластины параллельно, а не перпендикулярно плоской границе между пластинами и электрической изоляцией всех электродов соседних пьезоэлементов друг от друга. Таким образом заявляемая антенна соответствует критерию изобретения "новизна".

Заявляемая антенна вследствие отличия направлений поляризации всех пьезоэлементов второй пластины входящего в ее состав биморфного преобразователя по отношению к направлениям поляризации всех пьезоэлементов в первой его пластине обладает новым свойством: колебания относительно положения равновесия только одной плоской поверхности пластинчатого преобразователя и неподвижности противоположной его поверхности при подаче определенных напряжений на электроды пьезоэлементов. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень".

В верхней части фиг. 2 показаны вид спереди и сверху закрепленного в опорах 3 биморфного пластинчатого преобразователя, входящего в состав заявляемой антенны. В нижней части этой фигуры показано в аксонометрической проекции расположение электродов 5 на гранях двух пьезоэлементов 4 биморфного преобразователя, один из которых входит в состав первой (задней) пластины с наружной поверхностью 2, а второй входит в состав второй (передней) пластины с наружной поверхностью 1.

Заявляемая акустическая антенна для одностороннего излучения акустических волн содержит биморфный пластинчатый электроакустический преобразователь (фиг.2), две пьезоэлектрические пластины которого изготовлены из механически жестко соединенных пьезоэлементов 4, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда с электродами 5, нанесенными на две его грани, перпендикулярные направлению поляризации пьезоэлемента 4, и скреплены между собой посредством их склеивания, сварки и т.п. При этом расположение пьезоэлементов 4 такое, что направления их поляризации в каждой из пластин одинаковы, грани с электродами 5 пьезоэлементов первой пластины перпендикулярны, а второй пластины параллельны плоской границе между пластинами, электроды 5 соседних пьезоэлементов первой пластины электрически соединены друг с другом, а второй пластины изолированы друг от друга, как показано на фиг.2.

Работа биморфного пластинчатого преобразователя заявляемой акустической антенны происходит следующим образом. Если на электроды соседних пьезоэлементов передней пластины биморфного преобразователя не подавать никакого напряжения, а на электроды соседних пьезоэлементов задней пластины биморфного преобразователя подать синхронные переменные напряженияй с одинаковой амплитудой и с одинаковым сдвигом по фазе относительно фазы напряжения, подаваемого на соседний пьезоэлемент, то за счет различного периодического изменения размеров пьезоэлементов задней пластины ее наружная поверхность 2 будет отклоняться от положения равновесия, принимая форму, показанную на фиг. 2 штриховой линией для некоторого момента времени. Вследствие жесткого механического соединения пьезоэлементов передней и задней пластин биморфного преобразователя в рассматриваемом случае его передняя поверхность 1 также будет отклоняться от положения равновесия, принимая форму, аналогичную форме поверхности 2. Поэтому биморфный преобразователь будет возбуждать в окружающей среде поверхностями 1 и 2 акустические волны, распространяющиеся в различных направлениях. Направление распространения волн, возбуждаемых поверхностью 2, показано на фиг.2 стрелками. Направление распространения волн, возбуждаемых поверхностью 1, будет симметричным относительно плоскости равновесного положения поверхности 1. В отличие от прототипа конструкция биморфного преобразователя, представленного на фиг.2, позволяет обеспечить неподвижность его поверхности 1 при отклонениях от положения равновесия его поверхности 2, если подавать синхронно переменные напряжения на электроды каждого пьезоэлемента одной пластины и соединенного с ним пьезоэлемента второй пластины. При соответствующем соотношении между амплитудами и фазами этих напряжений перемещение передней поверхности 1, вызванное изгибом задней пластины биморфного преобразователя, компенсируется соответствующими изменениями размеров пьезоэлементов (толщины) передней пластины преобразователя. В результате этого передняя поверхность 1 биморфного преобразователя не будет менять свою форму при изменении формы задней поверхности 2. Если при этом среднее значение величин отклонения задней поверхности 2 от равновесного положения по всей площади поверхности 2 равно нулю, то при колебаниях задней поверхности 2 биморфного преобразователя его передняя поверхность 1 будет оставаться неподвижной, а акустическая антенна с биморфным преобразователем, возбуждаемым подобным образом, будет излучать акустические волны только в одном направлении.

Соотношения между амплитудами и фазами синхронных напряжений, которые следует подать на электроды биморфного преобразователя для получения указанного выше технического результата, определим на примере конкретного выполнения заявляемой антенны. Такой антенной может являться антенна с биморфным пластинчатым преобразователем, пьезоэлементы которого изготовлены из керамики ЦТС-19 в виде прямоугольных параллелепипедов, как показано на фиг. 2, с размерами l = 5•10^-3 м, l_п = 0,3 м. Каждая из пластин биморфного преобразователя состоит из 100 пьезоэлементов, соединенных между собой и с опорами посредством склеивания. К каждому электроду пьезоэлемента припаяны провода с наружной изоляцией, с помощью которых на электроды пьезоэлементов синхронно подаются от усилителей переменные напряжения с требуемыми амплитудами и фазами. При подаче на электроды отдельного пьезоэлемента переменного напряжения U(t) = Acos(2πft), (1) где A - амплитуда напряжения, f - частота переменного напряжения, t - текущее время, изменение размера пьезоэлемента по направлению первоначальной поляризации от одного электрода к другому электроду будет согласно /2, с.91/ равно Δl₃(t) = Ad₃₃cos(2πf•t), (2) где d₃₃ - пьезоэлектрический модуль, равный для пьезокерамики ЦТС-19 3,6•10^-10 м/В.

Изменение размера свободного от механических напряжений пьезоэлемента по направлению, перпендикулярному направлению первоначальной поляризации пьезоэлемента будет согласно /2/ равно Δl₁(t) = -d₃₁A•cos(2πf•t), (3) где d₃₁ - пьезоэлектрический модуль, равный для пьезокерамики ЦТС-19 1,6•10^-10 м/В.

Поскольку пьезоэлементы, входящие в состав биморфных преобразователей, нельзя рассматривать ни как заторможенные, ни как свободные от механических напряжений, то соотношения (2)-(3) являются для них приблизительными.

При больших волновых размерах наружных поверхностей биморфного преобразователя, если пренебречь краевыми эффектами, то происходящие в нем колебательные явления можно рассматривать, пользуясь теорией распространения акустических волн в слоистых средах.

Волновые размеры рассматриваемого преобразователя будут большими, если выполняется условие f>>C_l/l_п, (4) где f - частота звуковой волны, С_l - скорость продольной звуковой волны в пьезокерамике ЦТС-19, равная 3000 м/с.

Поскольку для твердых тел во многих случаях скорость продольных звуковых волн С_l в 1,6 раза больше скорости поперечных звуковых волн С_t, то для пьезокерамики ЦТС-19 полагаем С_t = 1875 м/с.

Тонкие плоские слои приближенно можно полагать звукопрозрачными. При этом на их внешних и внутренних плоских границах не происходит отражение приходящих к границам плоских звуковых волн, и практически вся энергия акустических волн из тонкого слоя переходит во внешнюю среду через плоские границы слоя. Плоский слой толщиной d можно полагать тонким, если его матричный пропагатор приблизительно равен единичной матрице, что выполняется при

где проекция волнового вектора распространяющейся в слое плоской продольной звуковой волны на координатную ось z, перпендикулярную границе плоского слоя;
аналогичная проекция волнового вектора распространяющейся в слое плоской поперечной звуковой волны.

Согласно волновой теории К_lz и К_tz связаны с проекцией К_x волновых векторов плоской продольной и поперечной волн на плоскую границу слоя соотношениями
если К_l ≥ К_x; (7)
если К_l <К; (8)
если К_t ≥ К_x; (9)
если К_t <К; (10)

волновые числа, соответствующие распространяющимся в слое плоским продольным и поперечным звуковым волнам соответственно.

В дальнейшем полагаем, что соотношения (5) и (6) выполняются при толщине биморфного преобразователя d = 0,01 м, и последний можно рассматривать, как тонкий плоский слой пьезокерамики в водной или воздушной среде.

Пронумеруем пьезоэлементы, входящие в состав пластин биморфного преобразователя, изображенного на фиг.2, слева направо от 1 до 100, и обозначим номер пьезоэлемента пластины буквой j. При подаче на электроды пьезоэлементов в задней пластины переменных напряжений, удовлетворяющих соотношению
U₃(j,t) = A₃exp[i(K_xl_j-2πf•t)], (11)
за счет изменения размеров пьезоэлементов в задней пластины по направлению вдоль плоскости, отделяющей их от пьезоэлементов передней пластины, будет происходить сдвиговая деформация в механических системах (частицах биморфного преобразователя), образованных парами примыкающих друг к другу пьезоэлементов задней и передней пластин преобразователя. Поскольку напряжения приложены к одному пьезоэлементу из каждой пары, величина сдвига частиц пьезоэлементов на задней поверхности 2 преобразователя вдоль перпендикуляра к его электродам относительно частиц на границе между слоями преобразователя при использовании соотношения (2) будет приблизительно удовлетворять соотношению
U₃(j,t) ≈ 0,5A₃d₃₃exp[i(K_xl_j-2π•f•t)], (12)
Величина сдвига частиц пьезоэлементов на передней поверхности преобразователя вдоль того же перпендикуляра относительно частиц на границе между слоями преобразователя будет приблизительно удовлетворять соотношению
U_п(j,t) ≈ -0,5A₃d₃₃exp[i(K_xl_j-2π•f•t)], (13)
Из волновой теории плоских звуковых волн следует, что такие сдвиговые деформации соответствуют потенциалам смещений поперечных плоских волн, приходящих к задней и передней поверхностям пьезоэлементов биморфного преобразователя, описываемым на этих поверхностях выражением

и смещениям частиц пьезоэлементов на задней 2 и передней 1 поверхностях преобразователя вдоль перпендикулярного к ним направления, описываемым на этих поверхностях выражениями

U_пt(j,t)=U_3t(j,t). (16)
При подаче на электроды пьезоэлементов передней пластины переменных напряжений, удовлетворяющих соотношению
U_п(j,t) = A_пexp[i(K_xl_j-2πft)]. (17)
За счет изменения размеров пьезоэлементов передней пластины перпендикулярно плоскости, отделяющей ее от задней пластины, будет происходить смещение частиц пьезоэлементов на задней 2 и передней 1 поверхностях преобразователя вдоль перпендикулярного к ним направления, описываемое при использовании соотношения (2) приближенными соотношениями
U_пl(j,t)≈-A_пd₃₃exp[i(K_xl_j-2πft)]; (18)
U_зе(j,t)=-U_пl(j,t). (19)
Согласно принципу суперпозиции для механических смещений частиц пьезоэлементов на задней 2 и передней 1 поверхностях преобразователя вдоль перпендикулярного к ним направления с использованием соотношений (15), (16), (18), (19) можно записать приближенные соотношения


Из соотношения (21) следует, что передняя поверхность 1 не будет перемещаться вдоль перпендикулярного к ней направления и не будет возбуждать звуковые волны во внешней среде при определенном соотношении между амплитудами подаваемых на электроды примыкающих друг к другу задних и передних пьезоэлементов биморфного преобразователя напряжений

Как следует из соотношений (9), (10), отношение А_з к А_п должно быть действительным числом, если К_t≥К_x и является мнимым числом, если К_t<К. Поэтому разность фаз напряжений U₃ и U_п, подаваемых на пьезоэлементы биморфного преобразователя, должна быть равна 0, если K_t≥K_x, и равна 0,5π, если К_t<К.

Более точное соотношение (22) может быть получено при настройке акустической антенны в испытательном бассейне (камере) посредством подбора таких соотношений между А_з и А_п, при которых размещенный у передней поверхности 1 биморфного преобразователя гидрофон (микрофон) будет давать выходной сигнал, близкий к нулю.

При выполнении соотношения (22) смещения частиц пьезоэлементов на задней поверхности 2 преобразователя вдоль перпендикулярного к ней направления будут составлять
U_3S≈2A_п•d₃₃exp[(i(K_xl_j-2πft)]. (23)
В силу неразрывности среды такие же смещения будут у прилегающих к задней поверхности частиц внешней водной или воздушной среды. В результате этого во внешней среде будут возбуждаться звуковые волны, распространяющиеся в направлении, составляющем с плоскостью задней поверхности 2 биморфного преобразователя угол

где С_w - скорость звуковых волн во внешней среде.

Таким образом, при выполнении соотношений (4), (5), (6) и (22) для рассматриваемого примера конкретного выполнения биморфного пластинчатого преобразователя акустическая антенна, содержащая такой преобразователь в своем составе, обладает свойством излучения акустических волн только в одну сторону без использования акустического экрана. Это свойство позволяет упростить ее конструкцию, улучшить весогабаритные характеристики и расширить диапазон рабочих глубин погружения в водную среду.

Нетрудно проверить, что для рассматриваемого примера выполнения биморфного пластинчатого преобразователя соотношения (4), (5), (6) будут выполняться при f = 30 кГц и К_x = 95 1/м. Поскольку в этом случае

то согласно соотношениям (9),(22) амплитуда A_п напряжения U_п должна быть в 1,5 раза больше амплитуды А₃ напряжения U_з, а разность фаз между напряжениями U_п и U_з должна быть равна нулю. При среднеквадратическом значении амплитуды А_п = 1000 В среднеквадратическое значение амплитуды смещений U_зs частиц пьезоэлементов на задней поверхности биморфного преобразователя согласно соотношению (23) составит 7,2•10^-7 м. Направление распространения акустических волн, создаваемых смещениями частиц на задней поверхности преобразователя, в водной среде при С_w = 1500 м/с согласно соотношению (24) составит с плоскостью этой поверхности 40^o.

Источники информации
1. Смарышев М. Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник по расчету направленных свойств гидроакустических антенн. Л.: Судостроение, 1984. - С. 6.

2. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Учебник. - 2-е изд., перераб и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - С. 140, 172.

Формула изобретения

Акустическая антенна для одностороннего излучения акустических волн, содержащая биморфный пластинчатый электроакустический преобразователь, выполненный в виде двух скрепленных между собой пьезоэлектрических пластин, изготовленных из механически жестко соединенных, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда пьезоэлементов с нанесенными на двух их противоположных гранях электродами и расположенных так, что направления первоначальной поляризации пьезоэлементов в каждой из двух пластин одинаковы, при этом поверхности электродов пьезоэлементов первой пластины перпендикулярны плоской границе между пластинами, а электроды каждого пьезоэлемента этой пластины электрически соединены с электродами ее соседних пьезоэлементов, отличающаяся тем, что в ней поверхности электродов пьезоэлементов второй пластины параллельны плоской границе между пластинами, а электроды каждого пьезоэлемента этой пластины электрически изолированы от электродов ее соседних пьезоэлементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2