RU188744U1 - Dual element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals - Google Patents

Dual element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals Download PDF

Info

Publication number
RU188744U1
RU188744U1 RU2018146551U RU2018146551U RU188744U1 RU 188744 U1 RU188744 U1 RU 188744U1 RU 2018146551 U RU2018146551 U RU 2018146551U RU 2018146551 U RU2018146551 U RU 2018146551U RU 188744 U1 RU188744 U1 RU 188744U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoelectric
transducer
acoustic signals
parametric generation
parametric
Prior art date
Application number
RU2018146551U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Юрьевич Волощенко
Сергей Павлович Тарасов
Антон Юрьевич Плешков
Александр Петрович Волощенко
Василий Алексеевич Воронин
Петр Петрович Пивнев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Маринн 3Д"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Маринн 3Д" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Маринн 3Д"
Priority to RU2018146551U priority Critical patent/RU188744U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU188744U1 publication Critical patent/RU188744U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/44Special adaptations for subaqueous use, e.g. for hydrophone

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Полезная модель используется для параметрической генерации акустических сигналов. Сущность полезной модели заключается в том, что двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации акустических сигналов содержит два генератора электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, а также усилитель мощности соединены со входом пьезоэлектрического преобразователя, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность круглой формы, при этом к выходу усилителя мощности подключен второй пьезоэлектрический преобразователь с пьезоэлементом, имеющим плоскую поверхность кольцеобразной формы, причем первый пьезоэлектрический преобразователь расположен внутри второго. Технический результат: повышение амплитуды звукового давления компонент полигармонического сигнала результирующего ультразвукового градуировочного поля в гидроакустическом бассейне. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model is used for parametric generation of acoustic signals. The essence of the utility model is that a two-element electro-acoustic transducer for parametric generation of acoustic signals contains two electrical oscillators, the outputs of which are through a linear adder, a pulse modulator controlled by a pulse generator, and a power amplifier connected to the piezoelectric transducer input, the piezoelectric element of which has a flat surface round shape, while the second piezoelectric transducer is connected to the output of the power amplifier Only with a piezoelectric element having a flat ring-shaped surface, the first piezoelectric transducer being located inside the second one. EFFECT: increased amplitude of the sound pressure, a component of the polyharmonic signal of the resulting ultrasonic calibration field in the hydroacoustic basin. 3 hp f-ly, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительным параметрическим излучателям, которые в условиях гидроакустического бассейна используются в качестве источника звуковых колебаний.The invention relates to measuring parametric radiators that are used as a source of sound vibrations in a hydroacoustic basin.

Уровень техникиThe level of technology

Испытания и периодические проверки характеристик гидроакустической аппаратуры включают в себя трудоемкий процесс измерения параметров гидроакустических антенн, диапазон рабочих частот которых от нескольких сотен герц до нескольких сотен килогерц. При измерении параметров антенн в режиме приема в широком диапазоне частот приходится преодолевать технические трудности, в частности, необходим комплект штатных узкополосных интерференционных излучателей, размеры и вес которых становятся слишком большими. До настоящего времени в гидроакустических измерениях в качестве интерференционных излучателей звука в воде применяют пьезоэлектрические преобразователи с пьезоэлементом в виде сферических (цилиндрических) оболочек и пластин. Измерительные излучатели звукового давления должны отвечать специальным эксплуатационным требованиям: 1) высокая стабильность работы во времени при различных климатических условиях (атмосферное давление, температура, влажность); 2)большой динамический диапазон амплитуд градуировочного звукового давления; 3)широкий диапазон рабочих частот; 4) характеристика направленности измерительного излучателя должна содержать минимальное число добавочных лепестков в сформированном градуировочном акустическом поле (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. – Л.: Судостроение,1966, с.5 -14). В настоящее время в измерительной практике перспективно применение малогабаритных устройств, функционирующих на принципах нелинейной акустики и формирующих в измерительном объеме остронаправленное излучение в широкой полосе частот, – измерительных параметрических излучателей. Измерительные параметрические излучатели имеют преимущества в сравнении с интерференционными штатными излучателями: широкая полоса рабочих частот и плавная перестройки частоты в рабочем диапазоне, малые весогабаритные параметры пьезоэлектрических преобразователей для волн накачки, частотонезависимость угловой ширины основного лепестка и отсутствие бокового поля в характеристике направленности (ХН) параметрического излучателя в диапазоне рабочих сигналов рабочих частот.Testing and periodic testing of the characteristics of hydroacoustic equipment includes the time-consuming process of measuring the parameters of hydroacoustic antennas, whose operating frequencies range from several hundred hertz to several hundred kilohertz. When measuring the parameters of antennas in the reception mode in a wide frequency range, it is necessary to overcome technical difficulties, in particular, a set of standard narrow-band interference emitters is needed, whose dimensions and weight become too large. So far, in hydroacoustic measurements, piezoelectric transducers with a piezoelement in the form of spherical (cylindrical) shells and plates are used as interference sound emitters in water. Sound pressure measuring emitters must meet specific operational requirements: 1) high stability of operation over time under different climatic conditions (atmospheric pressure, temperature, humidity); 2) a large dynamic range of the amplitudes of the calibration sound pressure; 3) a wide range of operating frequencies; 4) directivity characteristic of the measuring radiator should contain the minimum number of additional petals in the formed calibration acoustic field (see Klyukin II, Kolesnikov AE Acoustic measurements in shipbuilding. - L .: Shipbuilding, 1966, pp.5 -14) . At present, in the measurement practice, the application of small-sized devices operating on the principles of nonlinear acoustics and forming sharply directed radiation in a wide frequency band, measuring parametric emitters, is promising. Measuring parametric radiators have advantages in comparison with standard interference emitters: wide frequency band and smooth frequency tuning in the working range, small weight and size parameters of piezoelectric transducers for pump waves, frequency independent angular width of the main lobe and the absence of a side field in the directivity characteristic (HN) of a parametric radiator in the range of operating signals of operating frequencies.

Известен кавитирующий импульсный параметрический источник (пат. США №3964013 “Cavitating parametric underwater acoustic source”, William L. Konrad, Int.Cl H04В 11/00, G01S 9/66, опубл. 15.06.1976), применяемый в гидроакустических устройствах, который обладает в режиме излучения высокой пространственной избирательностью на генерируемой в водной среде низкочастотной компоненте спектра – волне разностной частоты, содержащий два генератора электрических колебаний, выходы которых через двойной балансный модулятор, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, и усилитель мощности соединены со входом пьезоэлектрического преобразователя, который снабжен элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.Known cavitating pulse parametric source (US Pat. No. 3964013 “Cavitating parametric underwater acoustic source”, William L. Konrad, Int.Cl H04B 11/00, G01S 9/66, publ. 15.06.1976), used in sonar devices, which in the mode of radiation, it has a high spatial selectivity on the low-frequency component of the spectrum generated in the aquatic environment - a differential frequency wave containing two electrical oscillators, the outputs of which through a double balanced modulator, a pulse modulator controlled by a pulse generator, and The terminals are connected to the input of a piezoelectric transducer, which is equipped with shielding elements, hydro, electrical and noise insulation.

Недостатками аналога являются невысокая надежность и стабильность функционирования пьезоэлектрического преобразователя параметрического источника, а также недостаточная помехозащищенность. Причинами недостатков являются: создающее мощные помехи интенсивное акустическое излучение, что приводит к снижению отношения сигнал/помеха на входе приемника; гидродинамические возмущения, порожденные кавитационными явлениями, постепенно повреждающие поверхности пьезоэлектрического преобразователя устройства, сокращая срок его эксплуатации; деформация пьезоэлементов вследствие функционирования в условиях высоких механических и электрических нагрузок, приводящая к смещению резонансной частоты пьезоэлектрического преобразователя и уменьшению частотного диапазона генерации волны разностной частоты за счет появления нелинейной зависимости деформации пьезоэлемента от величины приложенного к нему электрического поля.The disadvantages of the analogue are the low reliability and stability of the operation of the piezoelectric transducer of a parametric source, as well as the lack of noise immunity. The reasons for the drawbacks are: intense acoustic radiation generating powerful interference, which leads to a decrease in the signal-to-interference ratio at the receiver input; hydrodynamic perturbations generated by cavitation phenomena, gradually damaging the surface of the device's piezoelectric transducer, reducing its service life; deformation of the piezoelectric elements due to functioning under conditions of high mechanical and electrical loads, leading to a shift in the resonant frequency of the piezoelectric transducer and a decrease in the frequency range of generation of the differential frequency wave due to the appearance of a non-linear dependence of the deformation of the piezoelectric element on the electric field applied to it.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора электрических колебаний, усилитель мощности, пьезоэлектрический преобразователь, снабженный элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.Signs that coincide with the claimed object: two generators of electrical oscillations, power amplifier, piezoelectric transducer, equipped with screening elements, hydro, electrical and noise insulation.

Известен параметрический измерительный излучатель для гидроакустических бассейнов (Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. – Л.: Судостроение, 1981. – 264 с.), содержащий два генератора электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, а также усилитель мощности и режекторный фильтр соединены со входом пьезоэлектрического преобразователя, снабженного элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем, излучающая апертура последнего является участком выпуклого пьезоэлемента-пластины.Known parametric measuring emitter for hydroacoustic pools (Novikov B. K., Rudenko O. V., Timoshenko V. I. Nonlinear hydro-acoustics. - L .: Shipbuilding, 1981. - 264 p.), Containing two generators of electrical oscillations, the outputs of which through a linear adder, a pulse modulator controlled by a pulse generator, as well as a power amplifier and a notch filter are connected to the input of a piezoelectric transducer equipped with screening elements, hydro, electrical and noise insulation, and the radiating aperture of One is a section of a convex piezoelectric plate.

К недостаткам аналога можно отнести ограниченность диапазона рабочих частот градуировочных сигналов низкочастотной областью, сниженный коэффициент преобразования генерируемого разностного сигнала из ультразвуковых сигналов накачки, а также отсутствие обеспечения удельной акустической мощности сигналов накачки в водной среде. Причинами являются: выпуклая сферическая форма излучающей поверхности; использование только спектральных составляющих разностной частоты, в то время как в нелинейной водной среде формируются и спектральные компоненты высокой частоты.The disadvantages of the analogue include the limited range of operating frequencies of the calibration signals in the low-frequency region, the reduced conversion rate of the generated difference signal from the ultrasonic pump signals, and the lack of specific acoustic power of the pump signals in the aquatic environment. The reasons are: the convex spherical shape of the radiating surface; using only the spectral components of the difference frequency, while in the nonlinear aquatic environment, high-frequency spectral components are also formed.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора электрических колебаний, линейный сумматор, импульсный модулятор, импульсный генератор, усилитель мощности, режекторный фильтр, пьезоэлектрический преобразователь, снабженный элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.Signs that coincide with the claimed object: two generators of electrical oscillations, a linear adder, a pulse modulator, a pulse generator, a power amplifier, a notch filter, a piezoelectric transducer equipped with elements of screening, hydro, electrical and noise insulation.

Известен акустический параметрический излучатель (пат. США № 4320474 “Saturation limited parametric sonar source”, Huckabay et al, МКИ H04В 1/02, опубл. 16.03.1982), принятый в качестве ближайшего аналога, содержащий два генератора электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, а также усилитель мощности, с выхода которого мощный электрический сигнал подается на входы двух идентичных пьезоэлектрических преобразователей, пьезоэлементы-пластины которых имеют плоские поверхности круглой формы радиусом (d/2) каждый, апертуры которых находятся в одной плоскости, причем, их фазово-геометрические центры смещены на расстояние 2d друг от друга, а также снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.Known acoustic parametric emitter (US Pat. No. 4320474 “Saturation limited parametric sonar source”, Huckabay et al, MKI H04B 1/02, publ. 03.03.1982), adopted as the closest analogue, containing two electrical oscillators, the outputs of which through linear adder, a pulse modulator controlled by a pulse generator, as well as a power amplifier, from the output of which a powerful electrical signal is fed to the inputs of two identical piezoelectric transducers, piezoelements-plates of which have flat round surfaces for the sake of catfish (d / 2) each, which apertures are located in one plane, with their phase-geometric centers offset by a distance 2d from each other and provided with screening elements, hydraulic, electrical and sound insulation.

Недостатками ближайшего аналога являются низкая надежность и стабильность функционирования пьезоэлектрических преобразователей параметрического источника, невысокая эффективность генерации градуировочных звуковых колебаний звукового давления в небольшом диапазоне рабочих сигналов разностной частоты. Причинами являются поперечно-пространственное разнесение центров апертур двух пьезоэлектрических преобразователей с плоскими дисковыми пьезоэлементами-пластинами; отсутствие возможности изменения взаимного расположения двух идентичных пьезоэлектрических преобразователей с плоским дисковым пьезоэлементом-пластиной; ограничение усталостно-прочностными свойствами пьезокерамики эффективности преобразования электрической энергии в акустическую.The disadvantages of the closest analogue are the low reliability and stability of the functioning of piezoelectric transducers of a parametric source, the low efficiency of generating calibration sound pressure fluctuations in a small range of operating signals of the difference frequency. The reasons are the transverse spatial separation of the centers of the apertures of two piezoelectric transducers with flat disk piezoelectric plates; the inability to change the mutual arrangement of two identical piezoelectric transducers with a flat disk piezoelectric plate; limiting the fatigue-strength properties of piezoceramics of the efficiency of conversion of electrical energy into acoustic.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор электрических колебаний, усилитель мощности, пьезоэлектрический преобразователь, снабженный элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.Signs that coincide with the claimed object: an oscillator of electrical oscillations, a power amplifier, a piezoelectric transducer, equipped with screening elements, hydro, electrical and noise insulation.

Раскрытие сущности полезной моделиDisclosure of the essence of the utility model

Задачей заявляемой полезной модели является создание двухэлементного электроакустического преобразователя для параметрической генерации акустических сигналов, обладающего расширенными эксплуатационными возможностями, заключающимися в способности генерации в нелинейной водной среде градуировочных звуковых колебаний в широком диапазоне изменения рабочих амплитуд их звукового давления. The task of the claimed utility model is the creation of a two-element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals, with enhanced operational capabilities, consisting in the ability to generate in a non-linear water environment calibration sound waves in a wide range of variations in the working amplitudes of their sound pressure.

Технический результат полезной модели заключается в повышении амплитуды звукового давления компонент полигармонического сигнала результирующего ультразвукового градуировочного поля в гидроакустическом бассейне за счет сфазированного сложения в заданной области нелинейной водной среды акустической мощности бигармонических сигналов накачки, что позволяет повысить достоверность результатов измерений за счет снижения уровня маскирующего шума.The technical result of the utility model is to increase the amplitude of the sound pressure of the polyharmonic signal component of the resulting ultrasonic calibration field in the hydroacoustic pool due to phased addition of acoustic power of biharmonic pump signals in a given non-linear water environment, which improves the reliability of measurement results by reducing the level of masking noise.

Технический результат достигается тем, что в параметрический измерительный излучатель, содержащий два генератора электрических колебаний с частотами

Figure 00000001
, выходы которых через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, а также усилитель мощности, выход которого соединен со входом пьезоэлектрического преобразователя, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность круглой формы, дополнительно введен подключенный к выходу усилителя мощности второй пьезоэлектрический преобразователь, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность кольцеобразной формы, причем первый преобразователь расположен внутри второго.The technical result is achieved by the fact that in a parametric measuring emitter containing two generators of electrical oscillations with frequencies
Figure 00000001
whose outputs through a linear adder, a pulse modulator controlled by a pulse generator, and a power amplifier, the output of which is connected to the input of a piezoelectric transducer, the piezoelectric element of which has a flat circular surface, is additionally connected to the output of the power amplifier of a second piezoelectric transducer, the piezoelectric element of which has a flat the surface is annular, with the first transducer located inside the second.

Целесообразно исполнение пьезоэлектрических преобразователей таким образом, чтобы величина внутреннего диаметра кольцеобразной плоской поверхности пьезоэлемента второго преобразователя совпадала с величиной диаметра круглой плоской поверхности пьезоэлемента первого преобразователя, а внешний диаметр кольцеобразной плоской поверхности пьезоэлемента второго преобразователя определялся условием равенства площадей излучающих поверхностей преобразователей, т. е.:It is advisable to design the piezoelectric transducers so that the internal diameter of the annular flat surface of the second transducer piezoelectric element coincides with the diameter of the circular flat surface of the piezoelectric element of the first transducer, and the external diameter of the second transducer's annular flat surface is determined by the condition of equality of the squares of the radiating surfaces of the transducer, ie.

Figure 00000002
, где:
Figure 00000002
where:

Figure 00000003
- внешний диаметр кольцеобразной плоской поверхности второго преобразователя;
Figure 00000003
- outer diameter of the annular flat surface of the second transducer;

Figure 00000004
- внутренний диаметр кольцеобразной плоской поверхности второго преобразователя.
Figure 00000004
- internal diameter of the annular flat surface of the second transducer.

Рационально в двухэлементном электроакустическом преобразователе для параметрической генерации ультразвука первый и второй пьезоэлектрические преобразователи расположить в несущей конструкции цилиндрической формы, выполненной с возможностью обеспечения юстировки, т.е. регулировки совмещения в пространстве как акустических осей, так и излучающих поверхностей пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей.Rationally in a two-element electroacoustic transducer for parametric generation of ultrasound, the first and second piezoelectric transducers are placed in a supporting structure of a cylindrical shape, made with the possibility of providing adjustment, i.e. adjusting the alignment in space of the acoustic axes and the radiating surfaces of the piezoelectric elements of both piezoelectric transducers.

Рационально в двухэлементном электроакустическом преобразователе для параметрической генерации ультразвука первый и второй пьезоэлектрические преобразователи снабдить элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.Rationally in a two-element electroacoustic transducer for parametric generation of ultrasound to provide the first and second piezoelectric transducers with elements of shielding, hydro, electrical and noise insulation.

На Фиг. 1 приведена структурная схема двухэлементного электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука со схематическим изображением конструкции пьезоэлектрических преобразователей.FIG. 1 shows a block diagram of a two-element electroacoustic transducer for parametric generation of ultrasound with a schematic representation of the design of piezoelectric transducers.

На Фиг. 2 показаны экспериментальные результаты измерения осевых распределений амплитуд звукового давления для сигнала разностной частоты

Figure 00000005
FIG. 2 shows the experimental results of measuring the axial distributions of the amplitudes of the sound pressure for the difference frequency signal
Figure 00000005

На Фиг. 3 представлены экспериментальные результаты измерения величин изменения амплитуды звукового давления для сигналов разностной частоты

Figure 00000006
и
Figure 00000007
. FIG. 3 presents the experimental results of measuring the magnitudes of changes in the amplitude of sound pressure for the signals of the difference frequency
Figure 00000006
and
Figure 00000007
.

Двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации ультразвука содержит первый 1 и второй 3 генераторы электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор 2, импульсный модулятор 4, управляемый импульсным генератором 5, а также усилитель мощности 6 соединены со входами первого пьезоэлектрического преобразователя 7, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность круглой формы, и второго пьезоэлектрического преобразователя 8, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность кольцевой формы, внутренний диаметр

Figure 00000008
которой совпадает с диаметром плоского пьезоэлемента первого пьезоэлектрического преобразователя, а внешний диаметр
Figure 00000009
определяется условием равенства излучающих площадей
Figure 00000010
пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей, т.е.
Figure 00000002
и несущую конструкцию цилиндрической формы 9, которая может в одном из вариантов реализации устройства объединять в единое целое пьезоэлектрические преобразователи 7 и 8. Несущая конструкция 9 цилиндрической формы обеспечивает возможность юстировки, т.е. точной регулировки совмещения в пространстве как акустических осей, так и излучающих поверхностей пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей 7, 8. Пьезоэлементы возбуждаются электрическими сигналами с частотами
Figure 00000011
находящимися в их полосе пропускания. Принцип построения несущих конструкций, обеспечивающих юстировку акустической системы, и способы прецизионного изменения расстояния между преобразователями известны и применяются в методах ультразвуковой интерферометрии (см. Специальный физический практикум, ч.1 3-е изд., М., Изд-во Моск. ун-та,1977, с.309-317, Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямина. – М.: «Сов. Энциклопедия»,1979. С.151-153).A two-element electroacoustic transducer for parametric ultrasound generation contains the first 1 and second 3 electrical oscillators, the outputs of which through a linear adder 2, a pulse modulator 4 controlled by a pulse generator 5, and the power amplifier 6 are connected to the inputs of the first piezoelectric transducer 7, the piezoelectric element of which has a flat the surface is circular in shape, and the second piezoelectric transducer 8, the piezoelectric element of which has a flat ring-shaped surface, vn morning diameter
Figure 00000008
which coincides with the diameter of the flat piezoelectric element of the first piezoelectric transducer, and the outer diameter
Figure 00000009
determined by the condition of equality of the radiating areas
Figure 00000010
piezoelectric elements of both piezoelectric transducers, i.e.
Figure 00000002
and a supporting structure of a cylindrical form 9, which in one of the embodiments of the device can integrate piezoelectric transducers 7 and 8 into a single unit. The supporting structure 9 of a cylindrical form allows adjustment, i.e. fine adjustment of the alignment in space of both the acoustic axes and the radiating surfaces of the piezoelectric elements of both piezoelectric transducers 7, 8. The piezoelectric elements are excited by electrical signals with frequencies
Figure 00000011
in their bandwidth. The principle of construction of supporting structures that ensure the alignment of the acoustic system, and the methods of precision variation of the distance between the transducers are known and used in the methods of ultrasonic interferometry (see Special Physical Practice, part 1, 3rd ed., Moscow, Moscow University Press Ta, 1977, pp.309-317, Ultrasound. The Little Encyclopedia. The chief editor of IP Golyamin. - M .: Sov. Encyclopedia, 1979. P.151-153).

Двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации ультразвука работает следующим образом. Генераторы 1, 3 вырабатывают электрические сигналы с частотами

Figure 00000012
поступающие через линейный сумматор 2 на вход импульсного модулятора 4, управляемого импульсным генератором 5. С выхода импульсного модулятора 4 радиоимпульс с бигармоническим заполнением (биения электрических колебаний близких частот
Figure 00000013
находящихся в полосе пропускания пьезоэлектрических преобразователей 7, 8, (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямина. – М.: «Сов. Энциклопедия»,1979. С.51-52) через усилитель мощности 6 поступает на входы пьезоэлектрических преобразователей 7, 8, пьезоэлементы которых имеют плоскую поверхность круглой формы и плоскую поверхность кольцевой формы соответственно. Внутренний диаметр
Figure 00000008
кольца совпадает с диаметром плоского пьезоэлемента первого пьезоэлектрического преобразователя 7, а внешний диаметр
Figure 00000009
определяется условием равенства излучающих площадей
Figure 00000010
пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей 7 и 8, т.е.
Figure 00000002
, оба пьезоэлектрических преобразователя 7 и 8 снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции. Пьезоэлементы пьезоэлектрических преобразователей 7 и 8 колеблются на основной толщиной моде в режиме одностороннего излучения и излучают мощные сигналы бигармонической накачки с близкими частотами
Figure 00000014
находящимися в их полосах пропускания, которые формируют в водной среде характеристики направленности для акустических волн бигармонической накачки, имеющую круговую симметрию относительно оси, проходящей через их центры и перпендикулярно к середине плоских поверхностей. В силу пьезоэлектрических свойств пьезоэлементы пьезоэлектрических преобразователей 7, 8 будут изменять свои полуволновые толщины с частотами, равными частотам приложенных электрических сигналов, т.е. будут совершать колебания. Все точки поверхностей пьезоэлементов колеблются синфазно и с одинаковой амплитудой. Эти колебания передаются в водную среду и распространяются в виде сгущений и разряжений продольной волны. Водная среда обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к появлению эффектов как самовоздействия, так и взаимодействия при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны (см. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков//Акустика морских осадков/ Пер. с англ.; Под ред. Ю. Ю. Житковского. – М.: Мир, 1977. – с. 227 – 273). Воздействие нелинейного изменения упругих свойств воды на характеристики мощного импульсного сигнала накачки в области распространения проявляется в параметрической генерации градуировочных ультразвуковых сигналов как разностной
Figure 00000015
, так и суммарной
Figure 00000016
частот, вторых гармоник волн накачки
Figure 00000017
, что справедливо для акустических полей, формируемых обоими пьезоэлектрическими преобразователями 7, 8. Заявляемая полезная модель реализует способ суперпозиции амплитуд звуковых давлений сформированных градуировочных ультразвуковых сигналов, проявляющийся при совпадении для них как волновых фронтов, так и фаз колебаний.Dual-element electroacoustic transducer for parametric generation of ultrasound works as follows. Generators 1, 3 produce electrical signals with frequencies
Figure 00000012
coming through a linear adder 2 to the input of a pulse modulator 4 controlled by a pulse generator 5. From the output of a pulse modulator 4 radio pulses with biharmonic filling (beats of electrical oscillations of near frequencies
Figure 00000013
located in the passband of the piezoelectric transducers 7, 8, (see Ultrasound. Small encyclopedia. The main. Ed. And. P. Golyamin. - M .: Sov. Encyclopedia, 1979. P.51-52) through the power amplifier 6 enters the inputs of piezoelectric transducers 7, 8, the piezoelectric elements of which have a flat surface of circular shape and a flat surface of circular shape, respectively. Inner diameter
Figure 00000008
the ring coincides with the diameter of the flat piezoelectric element of the first piezoelectric transducer 7, and the outer diameter
Figure 00000009
determined by the condition of equality of the radiating areas
Figure 00000010
piezoelectric elements of both piezoelectric transducers 7 and 8, i.e.
Figure 00000002
, both piezoelectric transducers 7 and 8 are equipped with shielding elements, hydro, electrical and noise insulation. The piezoelectric elements of the piezoelectric transducers 7 and 8 oscillate at the fundamental thickness of the mode in the one-sided emission mode and emit powerful signals of biharmonic pumping with similar frequencies
Figure 00000014
located in their transmission bands, which form in the aquatic environment the directivity characteristics for acoustic waves of biharmonic pumping, which have circular symmetry about an axis passing through their centers and perpendicular to the middle of flat surfaces. Due to the piezoelectric properties, the piezoelectric elements of the piezoelectric transducers 7, 8 will change their half-wave thickness with frequencies equal to the frequencies of the applied electrical signals, i.e. will hesitate. All points of the surface of the piezoelectric elements oscillate in phase and with the same amplitude. These vibrations are transmitted to the aquatic environment and spread in the form of condensations and discharges of the longitudinal wave. The aquatic environment has a non-linearity of its elastic properties, which leads to the appearance of both self-action and interaction effects during the propagation of a pulse of an intense ultrasonic wave (see Muir TJ. Non-linear acoustics and its role in marine precipitation geophysics) / Acoustics of marine sediments / Trans. from English; Ed. by Yu. Zhitkovsky. - M .: Mir, 1977. - pp. 227-273). The effect of a nonlinear change in the elastic properties of water on the characteristics of a high-power pulsed pump signal in the propagation region is manifested in the parametric generation of calibration ultrasonic signals as a difference signal
Figure 00000015
and total
Figure 00000016
frequencies, second harmonics of pump waves
Figure 00000017
that is true for acoustic fields formed by both piezoelectric transducers 7, 8. The claimed utility model implements a method of superposing sound pressure amplitudes of the generated calibration ultrasonic signals, which appears when both wave fronts and oscillation phases coincide.

Примеры осуществленияExamples of implementation

Изложенный принцип построения двухэлементного электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука был реализован в конструкции макета составного излучателя, включающего пьезоэлектрические поршневые преобразователи, пьезопластины которых в соответствии с полезной моделью – плоский диск, размещенный концентрически внутри плоского кольца (диаметр диска 12 мм, для кольца – внешний 24 мм, внутренний 13 мм, центральная резонансная частота 1,06 МГц.). Для нелинейной генерации волны разностной частоты

Figure 00000018
=50 кГц использовались сигналы накачки с частотами
Figure 00000019
1035 кГц,
Figure 00000020
1085 кГц, эксперименты проводились также для волн разностных частот 25 кГц, 75 кГц.The stated principle of the construction of a two-element electroacoustic transducer for parametric ultrasound generation was implemented in the design of a mock-up of a composite emitter including piezoelectric piston transducers, piezoplates which, in accordance with the utility model, are a flat disk placed concentrically inside a flat ring (12 mm disc diameter, for an outer ring 24 mm, internal 13 mm, central resonant frequency of 1.06 MHz.). For nonlinear generation of differential frequency wave
Figure 00000018
= 50 kHz pump signals with frequencies were used
Figure 00000019
1035 kHz,
Figure 00000020
1085 kHz, experiments were also carried out for waves of difference frequencies of 25 kHz, 75 kHz.

На фиг. 2 представлены экспериментальные результаты измерения осевых распределений амплитуд звукового давления для сигнала разностной частоты

Figure 00000021
50 кГц в области коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия мощных сигналов накачки с частотами
Figure 00000022
1085 кГц,
Figure 00000023
1035 кГц на акустической оси предлагаемого двухэлементного электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука (кривая 3), а также при раздельном функционировании его составных частей: второго пьезоэлектрического преобразователя 8, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность кольцевой формы (кривая 1), первого пьезоэлектрического преобразователя 7, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность круглой формы (кривая 2). Как следует из сопоставления графиков, предлагаемый рабочий режим полезной модели приводит в дальней зоне к увеличению амплитуды звукового градуировочного сигнала на (4 – 5) дБ.FIG. 2 presents the experimental results of measuring the axial distributions of the amplitudes of the sound pressure for the signal of the difference frequency
Figure 00000021
50 kHz in the field of collinear propagation and nonlinear interaction of high-power pump signals with frequencies
Figure 00000022
1085 kHz,
Figure 00000023
1035 kHz on the acoustic axis of the proposed two-element electroacoustic transducer for parametric generation of ultrasound (curve 3), as well as with separate functioning of its components: the second piezoelectric transducer 8, the piezoelectric element of which has a flat ring-shaped surface (curve 1), the first piezoelectric transducer 7, the piezoelectric element which has a flat surface of a round shape (curve 2). As follows from the comparison of the graphs, the proposed operating mode of the utility model leads in the far-field zone to an increase in the amplitude of the sound calibration signal by (4–5) dB.

На фиг. 3 представлены экспериментальные результаты измерения величин изменения амплитуды звукового давления для сигналов разностной частоты

Figure 00000024
25 кГц и
Figure 00000021
50 кГц в дальней зоне макета составного излучателя за счет введения расфазировки сформированных градуировочных ультразвуковых сигналов. Расфазировка осуществляется путем продольного перемещения друг относительно друга плоского диска (пьезоэлектрический преобразователь 7), размещенного концентрически внутри плоского кольца (пьезоэлектрический преобразователь 8), и эквивалентна введению фазового сдвига между бигармоническими сигналами накачки, излучаемыми указанными элементами макета. Как следует из фиг. 3, для каждого градуировочного сигнала разностной частоты наблюдаются периодические области максимумов и минимумов, период изменений равен периоду биений. Высокочастотный сигнал, имеющийся на записях (фиг. 3) имеет место вследствие электрической наводки и недостаточной фильтрации. Таким образом, путем продольного перемещения составных элементов можно осуществлять точную настройку устройства, т.е. регулировать эффективность нелинейной генерации градуировочных ультразвуковых сигналов. В полезной модели предусмотрено отсутствие расфазировки между бигармоническими сигналами накачки за счет того, что несущая конструкция цилиндрической формы выполнена с возможностью совмещения в пространстве как акустических осей, так и излучающих поверхностей пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей 7,8.FIG. 3 presents the experimental results of measuring the magnitudes of changes in the amplitude of sound pressure for the signals of the difference frequency
Figure 00000024
25 kHz and
Figure 00000021
50 kHz in the far-field zone of the composite emitter layout due to the introduction of skewing of the formed calibration ultrasonic signals. Phasing is carried out by longitudinal displacement of a flat disk relative to each other (piezoelectric transducer 7) placed concentrically inside a flat ring (piezoelectric transducer 8), and is equivalent to introducing a phase shift between the biharmonic pump signals emitted by the indicated layout elements. As follows from FIG. 3, for each calibration signal of the difference frequency, periodic regions of maxima and minima are observed, the period of changes is equal to the period of beats. The high-frequency signal present on the records (Fig. 3) occurs due to electrical interference and insufficient filtering. Thus, by longitudinal movement of the components, it is possible to fine-tune the device, i.e. to regulate the efficiency of non-linear generation of calibration ultrasonic signals. The utility model provides for the absence of skew between the biharmonic pump signals due to the fact that the supporting structure of a cylindrical shape is made with the possibility of combining in space both the acoustic axes and the radiating surfaces of the piezoelectric elements of both piezoelectric transducers 7.8.

Анализ представленных выше экспериментальных результатов позволяет сделать следующие выводы – заявляемый двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации ультразвука удовлетворяет как минимум следующим специальным эксплуатационным требованиям: большой динамический диапазон амплитуд градуировочного звукового давления, широкий диапазон рабочих частот, характеристика направленности измерительного излучателя содержит минимальное число добавочных лепестков в сформированном градуировочном акустическом поле. Следует отметить, что пространственные распределения амплитуд звукового давления для акустических полей сигналов разностных частот, формируемых электроакустическим преобразователем для параметрической генерации ультразвука, оптимально соответствуют еще одному эксплуатационному требованию для сформированного градуировочного поля: монотонности и равномерности изменений амплитуд звукового давления как в продольном, так и поперечном направлениях водного объема гидроакустического бассейна, что позволяет размещать градуируемые приемники достаточно близко к устройству. Исходя из этого, можно предположить, что практическое использование предлагаемого электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука в качестве измерительного в условиях гидроакустических бассейнов ограниченных размеров помимо вышеуказанных преимуществ позволит уменьшить весогабаритные параметры гидроакустических бассейнов.The analysis of the experimental results presented above allows us to draw the following conclusions: the inventive two-element electroacoustic transducer for parametric ultrasound generation satisfies at least the following specific operational requirements: a large dynamic range of amplitudes of the calibration sound pressure, a wide range of operating frequencies, the directivity characteristic of the measuring emitter contains the minimum number of additional lobes in the formed calibration acus tic field. It should be noted that the spatial distributions of sound pressure amplitudes for acoustic fields of difference frequency signals generated by an electroacoustic transducer for parametric ultrasound generation, optimally meet another operational requirement for a formed calibration field: monotonicity and uniformity of changes in sound pressure amplitudes in both the longitudinal and transverse directions water volume hydroacoustic pool, which allows you to place graduated space The landmarks are close enough to the device. On this basis, it can be assumed that the practical use of the proposed electroacoustic transducer for parametric generation of ultrasound as a measuring instrument in hydroacoustic pools of limited sizes in addition to the above advantages will reduce the weight and size parameters of hydroacoustic pools.

Необходимо подчеркнуть, что увеличение амплитуды звукового давления компонент градуировочного сигнала результирующего ультразвукового поля в измерительном объеме гидроакустического бассейна приводит к повышению достоверности результатов измерений. Следует отметить, что при акустических измерениях кроме полезного сигнала, на приемный канал воздействуют сигналы, создающие трудности при проведении измерений, так как они искажают или маскируют полезный сигнал. Так, как правило, при акустических измерениях уровень сигнала (измеряемый вместе с помехой) должен быть на 10-15 дБ больше уровня помехи (измеряемой при отсутствии сигнала), причем, наиболее трудно устранить реверберационную помеху, т.е. шум, создаваемым рассеянным полезным сигналом. Однако заявляемый двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации позволяет и в этом случае получить выигрыш за счет повышения направленности и отсутствия бокового излучения.It should be emphasized that an increase in the amplitude of the sound pressure of the components of the calibration signal of the resulting ultrasonic field in the measurement volume of the sonar basin leads to an increase in the reliability of the measurement results. It should be noted that in acoustic measurements, in addition to the useful signal, the receiving channel is affected by signals that create difficulties in carrying out measurements, since they distort or mask the useful signal. So, as a rule, during acoustic measurements, the signal level (measured together with interference) should be 10–15 dB higher than the interference level (measured without a signal), and it is most difficult to eliminate reverberation interference, i.e. noise generated by a scattered useful signal. However, the claimed two-element electroacoustic converter for parametric generation allows, in this case as well, to gain by increasing the directivity and the absence of lateral radiation.

Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в области акустических измерений, в частности, в измерительных излучателях звукового давления, которые в условиях гидроакустического бассейна могут быть использованы в качестве источника звуковых колебаний с высокой амплитудой звукового давления, что позволяет повысить достоверность результатов измерений и снизить трудности их получении за счет снижения уровня маскирующего шума.The claimed utility model can be widely used in the field of acoustic measurements, in particular, in measuring sound pressure emitters, which under hydroacoustic basin conditions can be used as a source of sound vibrations with high amplitude of sound pressure, which allows to increase the reliability of measurement results and reduce their difficulty receiving by reducing the level of masking noise.

Claims (4)

1. Двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации акустических сигналов, содержащий два генератора электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, а также усилитель мощности соединены со входом пьезоэлектрического преобразователя, пьезоэлемент которого имеет плоскую поверхность круглой формы, отличающийся тем, что к выходу усилителя мощности подключен второй пьезоэлектрический преобразователь с пьезоэлементом, имеющим плоскую поверхность кольцеобразной формы, причем первый пьезоэлектрический преобразователь расположен внутри второго.1. A two-element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals containing two electrical oscillators, the outputs of which are connected via a linear adder, a pulse modulator controlled by a pulse generator, and a power amplifier connected to the input of a piezoelectric transducer, the piezoelectric element of which has a flat surface of a circular shape, distinguished by that the output of the power amplifier is connected to the second piezoelectric transducer with a piezoelectric element having n a glossy ring-shaped surface, with the first piezoelectric transducer located inside the second. 2. Двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации акустических сигналов по п. 1, отличающийся тем, что внутренний диаметр плоской поверхности кольцеобразной формы пьезоэлемента второго пьезоэлектрического преобразователя равен диаметру плоской поверхности круглой формы пьезоэлемента первого пьезоэлектрического преобразователя, а внешний диаметр плоской поверхности кольцеобразной формы пьезоэлемента второго пьезоэлектрического преобразователя определяется условием равенства площадей излучающих поверхностей первого и второго пьезоэлектрических преобразователей.2. Two-element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals according to claim 1, characterized in that the inner diameter of the flat surface of the annular shape of the piezoelectric element of the second piezoelectric transducer is equal to the diameter of the flat surface of the piezoelectric element of the first piezoelectric transducer, and the outer diameter of the flat surface of the annular shape of the piezoelement element Converter is determined by the condition of equality of the areas their surfaces of the first and second piezoelectric transducers. 3. Двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации акустических сигналов по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй пьезоэлектрические преобразователи расположены внутри несущей конструкции цилиндрической формы, выполненной с возможностью регулировки совмещения в пространстве как акустических осей, так и излучающих поверхностей пьезоэлементов обоих пьезоэлектрических преобразователей.3. Two-element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals according to claim 1, characterized in that the first and second piezoelectric transducers are located inside the supporting structure of a cylindrical shape, made with the possibility of adjusting the alignment in space of both acoustic axes and piezoelectric transducers of both piezoelectric transducers . 4. Двухэлементный электроакустический преобразователь для параметрической генерации акустических сигналов по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй пьезоэлектрические преобразователи снабжены элементами экранировки гидро-, электро- и шумоизоляции.4. A two-element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals under item 1, characterized in that the first and second piezoelectric transducers are equipped with screening elements for hydro, electrical and noise insulation.
RU2018146551U 2018-12-26 2018-12-26 Dual element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals RU188744U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018146551U RU188744U1 (en) 2018-12-26 2018-12-26 Dual element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018146551U RU188744U1 (en) 2018-12-26 2018-12-26 Dual element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU188744U1 true RU188744U1 (en) 2019-04-23

Family

ID=66315013

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018146551U RU188744U1 (en) 2018-12-26 2018-12-26 Dual element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU188744U1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4320474A (en) * 1980-11-24 1982-03-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Saturation limited parametric sonar source
SU1260849A1 (en) * 1985-01-17 1986-09-30 Ростовский-На-Дону Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Университет Им.М.А.Суслова Ultrasonic transducer for calibration of acoustic-emission chek systems
SU1379725A1 (en) * 1986-07-30 1988-03-07 Ростовский государственный университет им.М.А.Суслова Ultrasound transducer of acoustic emission signals
WO2002063606A1 (en) * 2001-02-09 2002-08-15 Koninklijke Philips Electronics N.V. Ultrasound transducer and method of manufacturing an ultrasound transducer
US20040039312A1 (en) * 2002-02-20 2004-02-26 Liposonix, Inc. Ultrasonic treatment and imaging of adipose tissue
RU2589247C2 (en) * 2011-05-18 2016-07-10 Конинклейке Филипс Н.В. Spherical ultrasonic hifu converter with modular receiving cavitation element

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4320474A (en) * 1980-11-24 1982-03-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Saturation limited parametric sonar source
SU1260849A1 (en) * 1985-01-17 1986-09-30 Ростовский-На-Дону Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Университет Им.М.А.Суслова Ultrasonic transducer for calibration of acoustic-emission chek systems
SU1379725A1 (en) * 1986-07-30 1988-03-07 Ростовский государственный университет им.М.А.Суслова Ultrasound transducer of acoustic emission signals
WO2002063606A1 (en) * 2001-02-09 2002-08-15 Koninklijke Philips Electronics N.V. Ultrasound transducer and method of manufacturing an ultrasound transducer
US20040039312A1 (en) * 2002-02-20 2004-02-26 Liposonix, Inc. Ultrasonic treatment and imaging of adipose tissue
RU2589247C2 (en) * 2011-05-18 2016-07-10 Конинклейке Филипс Н.В. Spherical ultrasonic hifu converter with modular receiving cavitation element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4504257B2 (en) Apparatus and method for measuring ultrasonic distance in air using parametric array
EP2148323A2 (en) Sound generator for use in parametric array
US6704247B1 (en) High efficiency parametric sonar
RU2133047C1 (en) Parametric echo-pulse sonar
Chen et al. Dual-frequency piezoelectric micromachined ultrasonic transducers via beam-membrane coupled structure
RU188744U1 (en) Dual element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals
Kamakura et al. Parametric sound fields formed by phase-inversion excitation of primary waves
US11194046B2 (en) Multiple frequency side-scan sonar
RU2697566C2 (en) Electroacoustic transducer for parametric generation of ultrasound
RU2536782C1 (en) Hydroacoustic directional waveguide converter
RU2700042C1 (en) Method for controlling the shape of the main lobe of the pattern function of the emitting parametric antenna and the device for realizing
US4982386A (en) Underwater acoustic waveguide transducer for deep ocean depths
Igarashi et al. Control of ultrasonic acoustic fields by multiple acoustic waveguides and piezoelectric transducers
RU2390797C1 (en) Method of generating short acoustic pulses during parametric emission and versions of device for implementing said method
RU2700031C1 (en) Multi-frequency receiving-emitting antenna device
RU2784885C1 (en) Method for increasing the efficiency of a parametric acoustic radiating antenna and a device for its implementation
Ahn et al. Practical method for parametric array source evaluation at 120 kHz frequency range in the near-field region
RU2782354C2 (en) Apparatus for grading electroacoustic transducers
RU176673U1 (en) ACOUSTIC SIGNAL FORMING DEVICE
US20220123842A1 (en) Method and Device for Increasing the Efficiency of an Emitting Antenna
RU173582U1 (en) ACOUSTIC PULSE FORMING DEVICE
RU2582897C2 (en) Radiating channel of parametric sonar
La Mura et al. Investigation of the beam pattern of an integrated 2D CMUT spiral array element
RU2543684C1 (en) Method of exciting hydroacoustic waveguide converter and device therefor
D'Angelo et al. High-order ultrasonic harmonic generation by a circular transducer