RU211686U1 - Piezoelectric transducer for multi-element hydroacoustic antenna - Google Patents

Piezoelectric transducer for multi-element hydroacoustic antenna Download PDF

Info

Publication number
RU211686U1
RU211686U1 RU2022107997U RU2022107997U RU211686U1 RU 211686 U1 RU211686 U1 RU 211686U1 RU 2022107997 U RU2022107997 U RU 2022107997U RU 2022107997 U RU2022107997 U RU 2022107997U RU 211686 U1 RU211686 U1 RU 211686U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transducer
plate
piezoelectric
sensitivity
electrodes
Prior art date
Application number
RU2022107997U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Николаевич Галий
Владимир Константинович Доля
Александр Анатольевич Панич
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU211686U1 publication Critical patent/RU211686U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель предназначена для использована при проектировании и разработке высокочастотной многоэлементной гидроакустической антенны, работающей в диапазоне частот свыше 100 кГц в аппаратуре для зондирования морской акватории и исследования океанского шельфа. Технический результат заключается в повышении чувствительности пьезоэлектрического преобразователя. Преобразователь содержит пьезокерамическую пластину высотой h, длиной b и шириной a, на широкие боковые поверхности которой нанесены сплошные электроды и направление поляризации пластины перпендикулярно плоскости электродов. Длина b и высота h пьезокерамической пластины связаны соотношением 0,9≤b/h≤2,4. В преобразовании электрической энергии в механическую и обратно участвует весь объем пьезоактивного тела и преобразование энергии осуществляется на продольной и поперечной моде колебаний, что приводит к увеличению энергии механических колебаний пьезоэлектрической пластины и к повышению чувствительности преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Figure 00000022
The utility model is intended for use in the design and development of a high-frequency multi-element hydroacoustic antenna operating in the frequency range above 100 kHz in equipment for sounding the sea area and exploring the ocean shelf. The technical result consists in increasing the sensitivity of the piezoelectric transducer. The transducer contains a piezoceramic plate of height h, length b and width a, on the wide side surfaces of which solid electrodes are applied and the direction of polarization of the plate is perpendicular to the plane of the electrodes. The length b and the height h of the piezoceramic plate are related by the ratio 0.9≤b/h≤2.4. The entire volume of the piezoactive body is involved in the conversion of electrical energy into mechanical energy and vice versa, and the energy conversion is carried out in the longitudinal and transverse oscillation modes, which leads to an increase in the energy of mechanical oscillations of the piezoelectric plate and to an increase in the sensitivity of the transducer. 1 z.p. f-ly, 4 ill.
Figure 00000022

Description

Полезная модель относится к гидроакустике и может быть использована при проектировании и разработке высокочастотной многоэлементной гидроакустической антенны, работающей в диапазоне частот свыше 100 кГц в аппаратуре для зондирования морской акватории и исследования океанского шельфа.The utility model relates to hydroacoustics and can be used in the design and development of a high-frequency multi-element hydroacoustic antenna operating in the frequency range above 100 kHz in equipment for sounding the sea area and exploring the ocean shelf.

При разработке гидроакустических антенн для решения задачи обнаружения слабо отражающих объектов и удаленных объектов, необходимо в первую очередь обеспечить максимально возможное акустическое давление, генерируемое каждым преобразователем антенны, и максимально возможный электрический сигнал на электрическом выходе преобразователя при приеме отраженного сигнала, т.е. преобразователь должен иметь максимально возможную чувствительность T в режиме излучения

Figure 00000001
, где
Figure 00000002
- величина акустического давления, излучаемого преобразователем при его возбуждении напряжением возбуждения
Figure 00000003
, и максимально возможную чувствительность М в режиме приема М= Iпр/Pпр, где Iпр - величина тока на выходе преобразователя при приеме акустического давления Рпр. When developing hydroacoustic antennas to solve the problem of detecting weakly reflecting objects and distant objects, it is necessary first of all to ensure the maximum possible acoustic pressure generated by each antenna transducer and the maximum possible electrical signal at the electrical output of the transducer when receiving the reflected signal, i.e. the transducer must have the highest possible sensitivity T in the radiation mode
Figure 00000001
, where
Figure 00000002
- the value of the acoustic pressure emitted by the transducer when it is excited by the excitation voltage
Figure 00000003
, and the maximum possible sensitivity M in the reception mode M = I pr /P pr , where I pr is the value of the current at the output of the transducer when receiving acoustic pressure P pr.

Известны многоэлементные гидроакустические антенны RU 2121771 [1], RU 2303336, RU 2167496 [2], RU 2757358 [3], RU 2757358 [4], содержащие набор установленных на общем основании стержневых пьезоэлектрических преобразователей, имеющих излучающую и тыльную накладки и загерметизированных водонепроницаемым компаундом.Known multi-element hydroacoustic antennas RU 2121771 [1], RU 2303336, RU 2167496 [2], RU 2757358 [3], RU 2757358 [4], containing a set of rod piezoelectric transducers installed on a common basis, having a radiating and rear lining and sealed with a waterproof compound .

Указанные антенны обладают малой чувствительностью и не применяются в области высоких частот из-за принципиальных конструктивных особенностей стержневых преобразователей, имеющих накладки, изготовленные из различных пассивных материалов.These antennas have low sensitivity and are not used in the high frequency region due to the fundamental design features of rod transducers with linings made of various passive materials.

Известно (Подводные электромеханические преобразователи. Справочник / Под редакцией В.В. Богородского. Л.- Судостроение, 1983 г., 248 с., стр.102.) [5], что для ультразвукового диапазона частот более 100 кГц применяют пластинчатые пьезоэлектрические преобразователи, каждый из которых представляет пьезоэлектрическую прямоугольную пластину, один размер которой значительно больше двух других. Наибольший размер определяет резонансную рабочую частоту и направление излучения. Отмеченная особенность - один размер значительно больше двух других обусловлена необходимостью обеспечения функционирования преобразователя на одной частоте, соответствующей одной изолированной моде колебаний, которая в данном случае определяется наибольшим размером. Рабочая, резонансная частота определяется соотношением:It is known (Underwater electromechanical transducers. Handbook / Edited by V.V. Bogorodsky. L. - Shipbuilding, 1983, 248 p., p. 102.) [5] that plate piezoelectric transducers are used for the ultrasonic frequency range of more than 100 kHz , each of which represents a piezoelectric rectangular plate, one size of which is significantly larger than the other two. The largest size determines the resonant operating frequency and direction of radiation. The noted feature - one size is much larger than the other two - is due to the need to ensure the operation of the converter at one frequency corresponding to one isolated oscillation mode, which in this case is determined by the largest size. The working, resonant frequency is determined by the ratio:

Figure 00000004
, где
Figure 00000005
- частота резонанса;
Figure 00000006
- скорость звука в пьезокерамике;
Figure 00000007
- высота пластины. Имеющие место другие резонансные частоты, соответствующие другим модам колебаний, которые зависят от других размеров пластины, значительно выше
Figure 00000005
в силу сформулированного соотношения размеров и практически не влияют на характер колебания на частоте
Figure 00000005
. Поскольку преобразователь функционирует только на одной моде колебаний, то его чувствительность определяется волновыми размерами его излучающей поверхности и электромеханическими свойствами используемого пьезоматериала, характеризуемыми коэффициентом электромеханической связи.
Figure 00000004
, where
Figure 00000005
- resonance frequency;
Figure 00000006
is the speed of sound in piezoceramics;
Figure 00000007
- plate height. There are other resonant frequencies, corresponding to other vibration modes, which depend on other plate dimensions, are much higher
Figure 00000005
due to the formulated ratio of sizes and practically do not affect the nature of the oscillation at the frequency
Figure 00000005
. Since the transducer operates only on one oscillation mode, its sensitivity is determined by the wave dimensions of its radiating surface and the electromechanical properties of the piezoelectric material used, characterized by the electromechanical coupling coefficient.

Известная конструкция в силу малости размеров излучающей поверхности имеет низкую чувствительность.Known design due to the small size of the radiating surface has a low sensitivity.

Отмеченный недостаток частично решен в гидроакустической антенне, описанной в гидроакустической антенне (RU 2087082, МПК H04R 1/44, H04R 17/00, опубликовано 06.07.1989) [6], которая содержит протяженные стержневые преобразователи трапециевидного сечения в направлении их высоты, отражающие боковые и тыльные экраны и элементы герметизации. Трапециевидные преобразователи собраны в линейную антенну, с соблюдением компланарности боковых поверхностей, при которой обеспечивается поочередная установка преобразователей с большим и меньшим размером оснований трапеции в направлении излучения антенны. Рабочая резонансная частота

Figure 00000008
трапециевидного преобразователя определяется высотой трапеции. Выполнение боковых стенок в виде наклонных сторон трапеции приводит к «размытию» собственных мод поперечных колебаний, т.е. отмеченное у ранее описанных технических решений «паразитное» влияние других резонансов значительно ослабляется.The noted drawback is partially solved in the hydroacoustic antenna described in the hydroacoustic antenna (RU 2087082, IPC H04R 1/44, H04R 17/00, published on 07/06/1989) [6], which contains extended rod transducers of a trapezoidal section in the direction of their height, reflecting the side and rear screens and sealing elements. The trapezoidal transducers are assembled into a linear antenna, in compliance with the coplanarity of the side surfaces, which ensures the alternate installation of transducers with a larger and smaller size of the trapezoid bases in the direction of the antenna radiation. Operating resonant frequency
Figure 00000008
trapezoidal transducer is determined by the height of the trapezoid. The implementation of the side walls in the form of inclined sides of the trapezoid leads to a "blurring" of the natural modes of transverse oscillations, i.e. the “parasitic” influence of other resonances noted in the previously described technical solutions is significantly weakened.

Выполнение пьезоэлектрического преобразователя в виде трапеции приводит к тому, что в формировании колебаний по высоте пьезоэлектрического тела принимают участие элементы трапеции, имеющие переменную высоту. При этом подавление поперечных мод с помощью переменной длины преобразователя в направлении перпендикулярном высоте также приводит к частичному подавлению электромеханического преобразования колебаний пьезоэлектрического тела в направлении высоты за счет скошенных участков колеблющегося тела и, как следствие, к уменьшению чувствительности антенны. Очевидно, чем больше будет соотношение размеров оснований трапеции, тем больше будет подавление, как основной моды, так и поперечных.The implementation of the piezoelectric transducer in the form of a trapezoid leads to the fact that in the formation of oscillations along the height of the piezoelectric body, elements of the trapezoid, having a variable height, take part. In this case, the suppression of transverse modes using a variable length transducer in the direction perpendicular to the height also leads to partial suppression of the electromechanical transformation of the oscillations of the piezoelectric body in the direction of height due to the beveled sections of the oscillating body and, as a result, to a decrease in the sensitivity of the antenna. Obviously, the greater the ratio of the dimensions of the bases of the trapezoid, the greater will be the suppression of both the fundamental and transverse modes.

Известен пластинчатый пьезоэлектрический электромеханический преобразователь для многоэлементной гидроакустической антенны (RU 2330389, МПК H04R17/10, опубл. 27.07.2008) [7], принимаемый за прототип заявляемой полезной модели как наиболее близкий по назначению и конструктивному выполнению.A plate piezoelectric electromechanical transducer for a multi-element hydroacoustic antenna is known (RU 2330389, IPC H04R17/10, publ. 07/27/2008) [7], taken as a prototype of the claimed utility model as the closest in purpose and design.

Пьезоэлектрический преобразователь - прототип содержит монолитное пьезокерамическое тело в виде прямоугольного параллелепипеда, на боковой поверхности которого нанесены опоясывающие электроды для подключения к электронным узлам формирования излучаемого и принимаемого сигналов. Прямоугольное тело поляризовано по высоте, а его размеры: высота h - полуволновый размер продольных колебаний на первой резонансной частоте и длина b выбираются в интервале b=(1÷2) h. Толщина а составляет не более половины волны на частоте колебаний в жидкости.The prototype piezoelectric transducer contains a monolithic piezoceramic body in the form of a rectangular parallelepiped, on the side surface of which girdle electrodes are applied for connection to electronic units for generating emitted and received signals. A rectangular body is polarized in height, and its dimensions: height h - half-wave size of longitudinal oscillations at the first resonant frequency and length b are selected in the range b=(1÷2) h. The thickness a is no more than half of the wave at the oscillation frequency in the liquid.

Недостатком прототипа является его низкая чувствительность, что обусловлено тем, что преобразователь состоит из трех частей: активной, расположенной в центральной части, и двух пассивных. Активная часть занимает 1/3 тела преобразователя. Пассивная часть занимает 2/3 тела преобразователя и не принимает участия в преобразовании электрической энергии в энергию механических колебаний. Поэтому такой преобразователь принципиально не использует все потенциальные возможности механизма преобразования энергии, заложенные в полном объеме пьезокерамической пластины. Такое исполнение преобразователя приводит к резкому уменьшению энергии, преобразованной в механические колебания. Указанное уменьшение относительно потенциально возможной преобразованной энергии для случая полого использования пьезокерамического тела составляет более чем в 2 раза (Б.С. Аронов. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. - Л. Энергоатомиздат, 1990 г., с. 154-156.) [8] и приводит, соответственно, к снижению чувствительности преобразователя.The disadvantage of the prototype is its low sensitivity, due to the fact that the converter consists of three parts: active, located in the Central part, and two passive. The active part occupies 1/3 of the transducer body. The passive part occupies 2/3 of the body of the converter and does not take part in the conversion of electrical energy into the energy of mechanical vibrations. Therefore, such a transducer fundamentally does not use all the potential of the energy conversion mechanism inherent in the full volume of the piezoceramic plate. This design of the converter leads to a sharp decrease in the energy converted into mechanical vibrations. The indicated decrease in relation to the potentially possible converted energy for the case of the hollow use of a piezoceramic body is more than 2 times (B.S. Aronov. Electromechanical converters from piezoelectric ceramics. - L. Energoatomizdat, 1990, pp. 154-156.) [8 ] and leads, accordingly, to a decrease in the sensitivity of the transducer.

Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя, имеющего более высокую чувствительность в режиме приема и излучения за счет вовлечения в процесс электромеханического преобразования всего объема пьезоэлектрического тела, а не только его 1/3 части, как у прототипа.The objective of the claimed utility model is to develop a design of a piezoelectric hydroacoustic transducer, which has a higher sensitivity in the mode of reception and radiation due to the involvement of the entire volume of the piezoelectric body in the process of electromechanical transformation, and not just 1/3 of its part, as in the prototype.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение чувствительности пьезоэлектрического преобразователя в режиме приема и излучения до максимальных значений за счет преобразования электрической энергии в энергию механических колебаний в режиме излучения и механических колебаний в электрические в режиме приема во всем объеме пьезокерамической пластины.The technical result of the present invention is to increase the sensitivity of the piezoelectric transducer in the reception and radiation mode to maximum values by converting electrical energy into the energy of mechanical vibrations in the radiation mode and mechanical vibrations into electrical vibrations in the reception mode throughout the entire volume of the piezoceramic plate.

Указанный технический результат достигается тем, что пьезоэлектрический преобразователь для многоэлементной гидроакустической антенны содержит прямоугольную поляризованную пьезокерамическую пластину, высота h которой составляет половину длины волны в теле пластины на частоте резонанса, с электродами на рабочих боковых поверхностях для подключения к электронным узлам формирования излучаемого и принимаемого сигналов.The specified technical result is achieved by the fact that the piezoelectric transducer for a multi-element hydroacoustic antenna contains a rectangular polarized piezoceramic plate, the height h of which is half the wavelength in the body of the plate at the resonance frequency, with electrodes on the working side surfaces for connection to electronic units for generating emitted and received signals.

Согласно полезной модели рабочие боковые поверхности пьезокерамической пластины имеют сплошные электроды, направление поляризации P перпендикулярно плоскости электродов, а длина b и высота h пьезокерамической пластины связаны соотношениемAccording to the utility model, the working side surfaces of the piezoceramic plate have solid electrodes, the direction of polarization P is perpendicular to the plane of the electrodes, and the length b and height h of the piezoceramic plate are related by the relation

Figure 00000009
(1).
Figure 00000009
(one).

В предпочтительном исполнении пьезокерамическая пластина выполнена из пьезокерамического материала на основе цирконата титаната свинца.In a preferred embodiment, the piezoceramic plate is made of a piezoceramic material based on lead zirconate titanate.

Выполнение преобразователя в виде прямоугольной пластины с электродами на большей боковой поверхности, поляризации пластины в направлении перпендикулярном плоскости электродов и обеспечении требований соотношения (1) для длины и высоты пластины приводит, во-первых, к тому, что в преобразовании электрической энергии в механическую и обратно участвует весь объем пьезоактивного тела, а не 1/3 объема, как у прототипа. Во-вторых, преобразование энергии осуществляется не только на продольной моде колебаний, но и на поперечной. Все это приводит к увеличению энергии механических колебаний пластины, а следовательно, к повышению чувствительности преобразователя.Making the transducer in the form of a rectangular plate with electrodes on a larger side surface, polarizing the plate in the direction perpendicular to the plane of the electrodes, and meeting the requirements of relation (1) for the length and height of the plate leads, firstly, to the fact that in the conversion of electrical energy into mechanical energy and vice versa the entire volume of the piezoactive body is involved, and not 1/3 of the volume, as in the prototype. Secondly, energy conversion is carried out not only in the longitudinal mode of oscillation, but also in the transverse one. All this leads to an increase in the energy of mechanical oscillations of the plate, and consequently, to an increase in the sensitivity of the transducer.

Сущность заявляемого пьезоэлектрического преобразователя поясняется фигурами чертежей и таблицей.The essence of the proposed piezoelectric transducer is illustrated by the figures of the drawings and the table.

На фиг. 1 приведен схематический чертеж пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя, где Р - направление вектора поляризации, b - длина, h - высота, а - ширина пьезокерамической пластины и стрелками вверху показано направление колебаний, соответствующего направлению излучения в рабочую среду.In FIG. 1 shows a schematic drawing of a piezoelectric hydroacoustic transducer, where P is the direction of the polarization vector, b is the length, h is the height, and is the width of the piezoceramic plate, and the arrows above show the direction of oscillation corresponding to the direction of radiation into the working medium.

На фиг. 2 приведен пример установки преобразователей в многоэлементную антенну.In FIG. 2 shows an example of installing converters in a multi-element antenna.

На фиг. 3 показан график зависимости чувствительности Т преобразователя в режиме излучения от соотношения

Figure 00000010
пьезоэлектрической пластины, полученный методом математического моделирования.In FIG. 3 shows a graph of the dependence of the sensitivity T of the transducer in the radiation mode on the ratio
Figure 00000010
piezoelectric plate obtained by mathematical modeling.

На фиг. 4 представлен график зависимости чувствительности М пьезоэлектрического преобразователя в режиме приема в зависимости от соотношения

Figure 00000011
пьезоэлектрической пластины, полученный методом математического моделирования.In FIG. 4 shows a graph of the dependence of the sensitivity M of the piezoelectric transducer in the receive mode, depending on the ratio
Figure 00000011
piezoelectric plate obtained by mathematical modeling.

В таблице приведены сравнительные технические характеристики заявляемого и известных пьезоэлектрических преобразователей для многоэлементной гидроакустической антенны.The table shows the comparative technical characteristics of the claimed and known piezoelectric transducers for a multi-element hydroacoustic antenna.

Пьезоэлектрический гидроакустический преобразователь (фиг. 1) содержит пьезокерамическую пластину 1 высотой h, длиной b и шириной a. На широкие боковые поверхности пластины 1 нанесены электроды 2. Направление поляризации

Figure 00000012
перпендикулярно плоскости электродов 2. Стрелками в направлении перпендикулярном длине b показано направление излучения акустического сигнала, обусловленного генерированием механических колебаний пьезоэлектрической пластины при подаче электрического сигнала на электроды 2. Длина b и высота h пьезокерамической пластины связаны соотношением 0,9≤b/h≤2,4. Конкретные размеры пластины для рабочей частоты
Figure 00000005
выбираются следующим образом.Piezoelectric hydroacoustic transducer (Fig. 1) contains a piezoceramic plate 1 height h, length b and width a. Electrodes 2 are deposited on the wide side surfaces of the plate 1. Direction of polarization
Figure 00000012
perpendicular to the plane of electrodes 2. The arrows in the direction perpendicular to the length b show the direction of emission of the acoustic signal due to the generation of mechanical oscillations of the piezoelectric plate when an electrical signal is applied to the electrodes 2. The length b and height h of the piezoceramic plate are related by the ratio 0.9≤b/h≤2, four. Specific plate dimensions for operating frequency
Figure 00000005
are chosen as follows.

Высота h (резонансный размер) должна удовлетворять следующему соотношению:The height h (resonant size) must satisfy the following relationship:

Figure 00000013
, (2)
Figure 00000013
, (2)

где

Figure 00000014
- длина волны в пьезоматериале, из которого изготовлена пластина;where
Figure 00000014
- wavelength in the piezomaterial from which the plate is made;

Figure 00000015
- скорость звука в пьезоматериале;
Figure 00000015
- the speed of sound in the piezomaterial;

Figure 00000005
- рабочая частота антенны (частота резонанса пластины).
Figure 00000005
- operating frequency of the antenna (resonance frequency of the plate).

Поскольку преобразователи многоэлементных гидроакустических антенн должны иметь широкую диаграмму направленности в плоскости, перпендикулярной длине, поперечный размер преобразователя должен быть значительно меньше длины волны

Figure 00000016
в воде. Следовательно, поперечный размер преобразователей (ширина), должен удовлетворять условию
Figure 00000017
. На практике достаточно обеспечить
Figure 00000018
. С учетом того, что скорость звука в пьезокерамике примерно в два раза больше скорости звука в воде, ширина пьезопластины должна соответствовать соотношению:Since the transducers of multi-element hydroacoustic antennas must have a wide radiation pattern in a plane perpendicular to the length, the transverse size of the transducer must be significantly less than the wavelength
Figure 00000016
in water. Therefore, the transverse size of the transducers (width) must satisfy the condition
Figure 00000017
. In practice, it is sufficient to provide
Figure 00000018
. Considering that the speed of sound in piezoceramics is approximately twice the speed of sound in water, the width of the piezoelectric plate should correspond to the ratio:

Figure 00000019
(3).
Figure 00000019
(3).

Длина b должна соответствовать соотношению (1):The length b must correspond to relation (1):

Figure 00000009
.
Figure 00000009
.

Преобразователь работает следующим образом. В режиме излучения на электроды 2 преобразователя или токовыводы 3 установленного в антенну преобразователя (фиг. 2) подают электрический сигнал рабочей частоты, соответствующей резонансной частоте пластины. Этот сигнал в соответствии с законом пьезоэффекта преобразовывается в теле пьезопастины в механический, и пьезопластина начинает совершать резонансные механические колебания как на продольной, так и поперечной моде колебаний. Механические колебания передаются в соприкасающуюся с ним рабочую среду и излучают в нее акустический сигнал в направлении, показанном стрелками на Фиг.2.The converter works as follows. In the radiation mode, the electrodes 2 of the converter or the current leads 3 of the converter installed in the antenna (Fig. 2) are supplied with an electric signal of the operating frequency corresponding to the resonant frequency of the plate. This signal, in accordance with the law of the piezoelectric effect, is converted into a mechanical one in the body of the piezopastina, and the piezoelectric plate begins to perform resonant mechanical vibrations both in the longitudinal and transverse oscillation modes. Mechanical vibrations are transmitted to the working environment in contact with it and emit an acoustic signal into it in the direction shown by the arrows in Fig.2.

В режиме приема на преобразователь со стороны рабочей среды воздействует акустический сигнал, и пьезопластина начинает совершать механические колебания, в результате чего в соответствии с законом пьезоэффекта на ее электродах 2 или токовыводах 3 появляется электрический потенциал.In the receiving mode, an acoustic signal acts on the transducer from the side of the working medium, and the piezoplate begins to perform mechanical oscillations, as a result of which, in accordance with the law of the piezoelectric effect, an electric potential appears on its electrodes 2 or current leads 3.

Поскольку в предлагаемом преобразователе электроды 2 нанесены на всю боковую поверхность пьезопластины 1 как в режиме приема, так и в режиме излучения в механизме преобразования механической энергии в электрическую и наоборот используется весь объем пьезоплатины, изготовленной из пьезоактивного материала.Since in the proposed transducer electrodes 2 are applied to the entire side surface of the piezoelectric plate 1, both in the reception mode and in the radiation mode, the entire volume of the piezoelectric plate made of piezoactive material is used in the mechanism for converting mechanical energy into electrical energy and vice versa.

На Фиг. 2 показан пример многоэлементной антенны, изготовленной из описанных выше преобразователей. Пьзоэлектрические преобразователи 1 (пьезопластины) с электродами 2 установлены на общем основании 4. К электродам 2 припаяны токовыводы 3, предназначенные для подключения к электронным узлам формирования сигналов излучения и приема.On FIG. 2 shows an example of a multi-element antenna made from the transducers described above. Piezoelectric transducers 1 (piezoelectric plates) with electrodes 2 are installed on a common base 4. Current leads 3 are soldered to electrodes 2, intended for connection to electronic units for generating radiation and reception signals.

Заявляемый преобразователь изготавливается следующим образом. Для конкретной рабочей частоты в соответствии с соотношениями (1), (2) и (3) по известной технологии изготавливают пьзоэлектрическую пластину 1 из пьезоактивного материала, например, системы ЦТС. Затем методом вжигания на боковые поверхности наносят сплошные электроды 2, на которые подают высокое постоянное электрическое напряжение величиной не менее 1 кВ/мм, осуществляя при этом поляризацию пьезопластины в направлении, перпендикулярном плоскости электродов.The inventive converter is manufactured as follows. For a specific operating frequency in accordance with the relations (1), (2) and (3) according to known technology, a piezoelectric plate 1 is made from a piezoactive material, for example, a PZT system. Then, solid electrodes 2 are applied to the side surfaces by burning in, to which a high constant electric voltage of at least 1 kV/mm is applied, while polarizing the piezoelectric plate in the direction perpendicular to the plane of the electrodes.

Покажем, что вышеописанный преобразователь обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, увеличение чувствительности пьезоэлектрического преобразователя, и, соответственно, антенны в целом.Let us show that the transducer described above provides a solution to the stated technical problem, namely, an increase in the sensitivity of the piezoelectric transducer, and, accordingly, the antenna as a whole.

Для исследования процесса колебаний пьезоэлектрической пластины конечных размеров было выполнено ее математическое моделирование методом конечных элементов с использованием пакета прикладных программ ANSYS Multiphysics. В результате получен график зависимости чувствительности Т, Па/Вм в режиме излучения от соотношения

Figure 00000011
пьезоэлектрической пластины (фиг. 3), и график зависимости чувствительности М, мА/Па в режиме приема от соотношения
Figure 00000011
пьезоэлектрической пластины (фиг. 4).To study the oscillation process of a piezoelectric plate of finite dimensions, its mathematical modeling was performed by the finite element method using the ANSYS Multiphysics software package. As a result, a plot of the dependence of the sensitivity T, Pa/Vm in the radiation mode on the ratio
Figure 00000011
piezoelectric plate (Fig. 3), and a graph of the dependence of the sensitivity M, mA / Pa in the reception mode on the ratio
Figure 00000011
piezoelectric plate (Fig. 4).

Из анализа графиков фиг. 3, 4 следует, что для b/h, удовлетворяющих соотношению

Figure 00000009
, значение чувствительности Т в режиме излучения и чувствительности М в режиме приема имеют максимальные значения и не выходят за пределы, равные 0,7 от максимального значения.From the analysis of the graphs of Fig. 3 and 4 that for b/h satisfying the relation
Figure 00000009
, the sensitivity value T in the emission mode and the sensitivity M in the reception mode have maximum values and do not go beyond the limits equal to 0.7 of the maximum value.

Для проверки заявляемого технического решения повышения чувствительности заявляемого пьезоэлектрического преобразователя для многоэлементной гидроакустической антенны были изготовлены образцы прототипа, заявляемого преобразователя и наиболее часто используемого преобразователя [5]. Для удобства сравнения изготовленные образцы имели сопоставимые размеры. Все преобразователи были изготовлены из одного пьезоматериала ЦТС19 (ОСТ 11 0444-87) производства НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ. Исследуемые образцы преобразователей имели следующие размеры: заявляемый преобразователь a=3,7 мм; h=8,9 мм; b=12 мм; b/h=1,34; прототип a=3,7 мм; h=8,9 мм; b=12 мм; b/h=1,34 и известный преобразователь [5] a=b=3,7 мм; h=8,9 мм; b/h=0,41.To test the proposed technical solution for increasing the sensitivity of the proposed piezoelectric transducer for a multi-element hydroacoustic antenna, samples of the prototype, the claimed transducer and the most commonly used transducer were made [5]. For ease of comparison, the fabricated samples had comparable sizes. All transducers were made of one piezomaterial TsTS19 (OST 11 0444-87) produced by NKTB Piezopribor, Southern Federal University. The investigated samples of transducers had the following dimensions: the claimed transducer a=3.7 mm; h=8.9 mm; b=12 mm; b/h=1.34; prototype a=3.7 mm; h=8.9 mm; b=12 mm; b/h=1.34 and known transducer [5] a=b=3.7 mm; h=8.9 mm; b/h=0.41.

Измерения чувствительности образцов в режиме излучения и в режиме приема осуществлялось в гидроакустическом бассейне стандартным способом. Исследуемый образец устанавливался в измерительном гидроакустическом бассейне и подключался к электронному генератору, на выходе которого устанавливалось напряжение, равное 20В. Генерируемое преобразователем акустическое давление измерялось измерительным гидрофоном Брюль и Кьер, тип 3108, установленным в бассейне на расстоянии 1м от преобразователя. Чувствительность рассчитывалась как отношение измеренных величин акустического давления и подаваемого на преобразователь электрического напряжения.Measurements of the sensitivity of the samples in the radiation mode and in the reception mode were carried out in a hydroacoustic basin in a standard way. The test sample was installed in the measuring hydroacoustic basin and connected to an electronic generator, at the output of which a voltage of 20 V was set. The acoustic pressure generated by the transducer was measured by a Brüel & Kjær measuring hydrophone, type 3108, installed in the pool at a distance of 1 m from the transducer. The sensitivity was calculated as the ratio of the measured values of the acoustic pressure and the electrical voltage applied to the transducer.

Чувствительность преобразователя в режиме приема также измерялась в акустическом бассейне стандартным методом сравнения. В качестве меры сравнения также использовался измерительный гидрофон (тип3108). Измерения проводились следующим образом: испытуемый преобразователь и измерительный гидрофон поочередно устанавливались в одну и ту же точку акустического поля, создаваемого в бассейне вспомогательным излучателем, и измерялись величины электрических напряжений на электрическом выходе гидрофона и токосъемниках преобразователя, чувствительность М преобразователя рассчитывалась по формуле:The transducer sensitivity in receive mode was also measured in the acoustic pool using the standard comparison method. A measuring hydrophone (type 3108) was also used as a measure of comparison. The measurements were carried out as follows: the transducer under test and the measuring hydrophone were alternately installed at the same point of the acoustic field created in the pool by the auxiliary radiator, and the electrical voltages were measured at the electrical output of the hydrophone and current collectors of the transducer, the sensitivity M of the transducer was calculated by the formula:

М=Uпр⋅Mг/Uг, где Uпр, Uг - напряжения на выходе преобразователя и измерительного гидрофона; Мг - чувствительность гидрофона, значение которой берется из паспорта гидрофона.M=U CR ⋅M g /U g , where U CR , U g - voltage at the output of the transducer and measuring hydrophone; М g is the sensitivity of the hydrophone, the value of which is taken from the hydrophone passport.

Результаты экспериментального исследования представлены в нижеприведенной таблице.The results of the pilot study are presented in the table below.

Таблица. Сравнительные технические характеристики заявляемого и известных пьезоэлектрических преобразователей для многоэлементной гидроакустической антенны.Table. Comparative technical characteristics of the claimed and known piezoelectric transducers for a multi-element hydroacoustic antenna. № No. Исследуемый образецTest sample ПараметрыOptions Чувствительность в режиме излучения, Т,

Figure 00000020
Figure 00000020
Sensitivity in radiation mode, T,
Figure 00000020
Figure 00000020
Чувствительность в режиме приема, М, нА/ПаSensitivity in receive mode, M, nA/Pa 1one Известный преобразователь [5]. Преобразователь с размерами: b= a=3,7 мм, h=8,9мм,
Figure 00000021
Figure 00000021
= 0,4Known converter [5]. Transducer with dimensions: b= a=3.7mm, h=8.9mm,
Figure 00000021
Figure 00000021
= 0.4 1,61.6 20twenty 22 Прототип. Преобразователь с размерами: b=12 мм, a=3,7 мм, h=8,9 мм,
Figure 00000021
Figure 00000021
= 1,34 Prototype. Transducer with dimensions: b=12 mm, a=3.7 mm, h=8.9 mm,
Figure 00000021
Figure 00000021
= 1.34 2,42.4 2626 33 Заявляемый преобразователь с размерами: b=12 мм, a=3,7 мм, h=8,9мм,
Figure 00000021
Figure 00000021
= 1,34The claimed transducer with dimensions: b=12 mm, a=3.7 mm, h=8.9 mm,
Figure 00000021
Figure 00000021
= 1.34 6,26.2 108108

Результаты, представленные в таблице, показывают, что заявляемый преобразователь имеет более чем в 2 раза большее значение чувствительности как в режиме излучения, так и в режиме приема. The results presented in the table show that the inventive transducer has more than 2 times the sensitivity value both in the radiation mode and in the reception mode.

Источники информации:Sources of information:

1. RU 2121771, МПК H04R 1/44, H04R17/00, опубл. 11.10.1998.1. RU 2121771, IPC H04R 1/44, H04R17/00, publ. 10/11/1998.

2. RU 2303336, МПК H04R 1/44, H04R 17/00, опубл. 20.07.2007.2. RU 2303336, IPC H04R 1/44, H04R 17/00, publ. 07/20/2007.

3. RU 2167496, МПК H04B 13/00, H04R 1/44, опубл. 20.05.2001.3. RU 2167496, IPC H04B 13/00, H04R 1/44, publ. May 20, 2001.

4. RU 2757358, МПК H04R 17/00, опубл. 14.10.2021.4. RU 2757358, IPC H04R 17/00, publ. 10/14/2021.

5. Подводные электромеханические преобразователи. Справочник/Под редакцией В.В. Богородского. Л.- Судостроение, 1983 г., 248 с., стр.102.5. Underwater electromechanical converters. Handbook / Edited by V.V. Bogorodsky. L. - Shipbuilding, 1983, 248 p., p. 102.

6. RU 2087082, МПК H04R 1/44, H04R 17/00, опубл. 06.07.1989. 6. RU 2087082, IPC H04R 1/44, H04R 17/00, publ. 07/06/1989.

7. RU 2330389, МПК H04R 17/10, опубл. 27.07.2008 - прототип.7. RU 2330389, IPC H04R 17/10, publ. 07/27/2008 - prototype.

8. Б.С. Аронов. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. - Л. Энергоатомиздат, 1990 г., 272с.8. B.S. Aronov. Electromechanical transducers made of piezoelectric ceramics. - L. Energoatomizdat, 1990, 272s.

Claims (3)

1. Пьезоэлектрический преобразователь для многоэлементной гидроакустической антенны, содержащий прямоугольную поляризованную пьезокерамическую пластину, высота h которой составляет половину длины волны в теле пластины на частоте резонанса, с электродами на рабочих боковых поверхностях для подключения к электронным узлам формирования излучаемого и принимаемого сигналов, отличающийся тем, что рабочие боковые поверхности пьезокерамической пластины имеют сплошные электроды, направление поляризации P перпендикулярно плоскости электродов, а длина b и высота h пьезокерамической пластины связаны соотношением:1. A piezoelectric transducer for a multi-element hydroacoustic antenna, containing a rectangular polarized piezoceramic plate, the height h of which is half the wavelength in the body of the plate at the resonance frequency, with electrodes on the working side surfaces for connection to electronic units for generating the emitted and received signals, characterized in that the working side surfaces of the piezoceramic plate have solid electrodes, the direction of polarization P is perpendicular to the plane of the electrodes, and the length b and height h of the piezoceramic plate are related by the relation: 0,9 ≤ b/h ≤ 2,4.0.9 ≤ b/h ≤ 2.4. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что пьезокерамическая пластина выполнена из пьезокерамического материала на основе цирконата титаната свинца.2. The transducer according to claim 1, characterized in that the piezoceramic plate is made of a piezoceramic material based on lead zirconate titanate.
RU2022107997U 2022-03-25 Piezoelectric transducer for multi-element hydroacoustic antenna RU211686U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU211686U1 true RU211686U1 (en) 2022-06-17

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4305014A (en) * 1978-07-05 1981-12-08 Siemens Aktiengesellschaft Piezoelectric array using parallel connected elements to form groups which groups are ≈1/2λ in width
RU2087082C1 (en) * 1989-07-06 1997-08-10 Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Multielement resonant sonar antenna
RU2121771C1 (en) * 1996-06-18 1998-11-10 Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Hydroacoustic transducer for antenna array
RU2167496C1 (en) * 2000-04-10 2001-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Hydroacoustic multi-unit antenna and piezoelectric rod transducer for said antenna
RU2303336C1 (en) * 2005-12-26 2007-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Hydro-acoustic multi-element antenna and piezo-electric rod transformer for such an antenna
RU2330389C2 (en) * 2006-09-21 2008-07-27 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Piezo-electric electromechanical transducer
RU2757358C1 (en) * 2020-12-01 2021-10-14 АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "КОНЦЕРН "МОРСКОЕ ПОДВОДНОЕ ОРУЖИЕ - ГИДРОПРИБОР" (АО "Концерн "МПО-Гидроприбор") Broadband hydroacoustic antenna

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4305014A (en) * 1978-07-05 1981-12-08 Siemens Aktiengesellschaft Piezoelectric array using parallel connected elements to form groups which groups are ≈1/2λ in width
RU2087082C1 (en) * 1989-07-06 1997-08-10 Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Multielement resonant sonar antenna
RU2121771C1 (en) * 1996-06-18 1998-11-10 Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Hydroacoustic transducer for antenna array
RU2167496C1 (en) * 2000-04-10 2001-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Hydroacoustic multi-unit antenna and piezoelectric rod transducer for said antenna
RU2303336C1 (en) * 2005-12-26 2007-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Hydro-acoustic multi-element antenna and piezo-electric rod transformer for such an antenna
RU2330389C2 (en) * 2006-09-21 2008-07-27 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Piezo-electric electromechanical transducer
RU2757358C1 (en) * 2020-12-01 2021-10-14 АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "КОНЦЕРН "МОРСКОЕ ПОДВОДНОЕ ОРУЖИЕ - ГИДРОПРИБОР" (АО "Концерн "МПО-Гидроприбор") Broadband hydroacoustic antenna

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101964185B (en) Ultra-wideband underwater acoustic transducer
CN108877756A (en) A kind of low frequency annulus energy converter of flextensional structure driving
CN110277485B (en) Composite material laminated bending vibration element and preparation method thereof
RU2303336C1 (en) Hydro-acoustic multi-element antenna and piezo-electric rod transformer for such an antenna
RU2393644C1 (en) Waveguide hydroacoustic transducer
RU211686U1 (en) Piezoelectric transducer for multi-element hydroacoustic antenna
RU2393645C1 (en) Broadband hydroacoustic transducer
CN107452365B (en) Directional quadrilateral flextensional transducer
KR102267439B1 (en) Wide band tonpilz type transducer
CN111403594A (en) Sensitive element for manufacturing high-sensitivity underwater acoustic transducer and preparation method thereof
RU88888U1 (en) DEVICE FOR FORMING ACOUSTIC SIGNALS
US20200128333A1 (en) Diagonal resonance sound and ultrasonic transducer
KR20110061023A (en) Ultrasonic transducer using planar parallel langevin mounting piezoelectric element, method for manufacturing the ultrasonic transducer, gasmeter using the ultrasonic transducer, distance measuring device using the ultrasonic transducer
Guo et al. Model of scandium doped aluminum nitride based PMUT with high transmitting performance
RU228160U1 (en) Waveguide hydroacoustic transducer
CN109225788B (en) High-efficiency broadband air-medium ultrasonic transducer with double-phonon crystal composite structure
RU88887U1 (en) DEVICE FOR FORMING ECHO-SIGNAL AND COMMUNICATION SIGNALS
RU2087082C1 (en) Multielement resonant sonar antenna
Li et al. A 31 And 33 Mode Combined Ceramic Ring Broadband Transducer
CN219978201U (en) Array ultrasonic probe based on active backing structure
WO2024041179A1 (en) Transducer and imaging system
RU2757358C1 (en) Broadband hydroacoustic antenna
RU2705181C1 (en) Broadband hydroacoustic piezoelectric transducer
RU173582U1 (en) ACOUSTIC PULSE FORMING DEVICE
Wang et al. Electrical impedance and radiation modes Determination for LiNbO3 MEMS ultrasonic array transducer using KLM and FEM modelling