Двухполуволновый преобразователь накачки Текст научной статьи по специальности «Физика»

Итак, подведём итоги. Использование данной модели применительно к исследованиям акустомеханических параметров пористых водонасыщенных сред имеет ряд существенных достоинств. Во-первых, несмотря на сложность использования в расчётах большого количества физических и термодинамических параметров исследуемых сред, данная модель наиболее полно охватывает процессы, происходящие в среде, а следовательно, понижает вероятность ошибки, связанной с не учётом какого-либо важного параметра объекта исследования. Во-вторых, подробность, с которой рассмотрена данная модель, позволяет использовать её в широком спектре исследований, для определения практически всех акустомеханических свойств среды. И кроме того, проверка возможности применения данной модели, проводимая некоторыми исследователями, показала высокую достоверность расчётных данных по отношению к результатам экспериментальных исследований.

0123456789 10

Частота, Гц x 104

Рис. 5. Коэффициент поглощения звука.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Acoustics, elasticity, and thermodynamics of porous media / twenty-one papers by Maurice Anthony Biot; Ivan Tolstoy, editor. Acoustical Society of America, 1992. 267 p.

2. Allard J.F. Propagation of sound in porous media: modeling sound absorbing materials. London and New York: Elsevier science publishers LTD, 1993. 285 p.

Г.Б. Тарасова, П.В. Старожук ДВУХПОЛУВОЛНОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАКАЧКИ

Важнейшими параметрами как гидрографического, так и поискового гидролокатора бокового обзора (ГБО) являются дальность действия и разрешающая способность. Оптимизация этих параметров для традиционных и параметрических ГБО осуществляется разными методами, но в любом случае они зависят от повышения мощности излучения. Мощность излучения ограничивается возможностями генератора, излучающей антенной и кавитационным порогом. В антеннах с амплитудным распределением проблема генератора не существенна. С переходом на высокие час-

тоты порог кавитации снижается до допустимого уровня, поэтому основной задачей остается оптимизация антенны.

Одним из вариантов повышения мощности антенн накачки параметрических ГБО можно предложить двухполуволновый преобразователь на поперечном пьезоэффекте с противофазным включением электродов, общий подход к реализации которого кратко изложен в работах [1,2].

Суть проблемы заключается в следующем. В работе [3] показано, что при проектировании преобразователя на сравнительно высоких частотах (сотни кГц) следует обратить внимание на следующие моменты. Во-первых, неоправданно применение преобразователей на продольном пьезоэффекте, т.к. либо расстояние между электродами велико, что существенно увеличивает необходимое рабочее напряжение возбуждения и, либо при секционировании переотражение энергии на слоях склейки, расположенных перпендикулярно направлению колебаний, снижается эффект от применения продольного пьезомодуля й33 = 2d3^ Во-вторых, в стержневых преобразователях (как системах с распределенными параметрами) часть подводимой энергии затрачивается на возбуждение гармонических составляющих, при этом (й31)дин = 0.8^31)стат . В-третьих, распределение механических напряжений с вдоль длины стержня I существенно уменьшает коэффициент электромеханической связи (КЭМС), т.е. (кзОдин = (0,8..0,85)k31стат , т. к. концы стержня, где с = 0, не вносят вклада в преобразование энергии.

Если принять за основу стержневой пьезоэлемент на поперечном пьезоэффекте с противофазным включением электродов, размеры которых укорочены примерно на одну треть, то эти недостатки будут устранены. При этом увеличение расстояния между электродами двух секций снизит возможность возбуждения поверхностных волн (для поверхностной волны расстояние можно рассчитать через скорость и43). При выборе поперечного сечения стержня следует обратить внимание на соотношение размеров 1/Ь , где Ь - ширина пьезоэлемента, которое может существенно отразиться на амплитудно-частотных характеристиках (АЧХ) и характеристиках направленности (ХН) [4].

Нами проведено теоретическое и экспериментальное исследование такого преобразователя и получены следующие результаты. Общий вид элемента с учетом распределения механических напряжений на разных модах колебаний при встречно включенных электродах приведен на рис.1. В качестве примера для антенны с ХН 2 ° х 50 ° с учетом иср= 1500 м/с на частоте 75 кГц необходимо иметь 2 х 51 элементов с поперечным сечением 0,9 см. Для пьезоэлемента из пьезокерамики ЦТБС - 3 при и1Е = 3400 м/с длина 21 = Хк= 45,3 мм. Для широкого элемента принято Ь = I.

При совместном решении уравнений состояния и движения получено уравнение полной проводимости пьезоэлемента с разделенными электродами с учетом влияния его ширины, возбуждаемом на поперечном пьезоэффекте

(

Л

И

+

II

+

+

+

(

Л

+

+

+

Здесь у - постоянная распространения; d31 - пьезомодуль; sn - упругая подат-ливсть; D3 - электрическая индукция; W = 2nf - круговая частота; Е3 - напряженность электрического поля; t - расстояние между электродами; е°33 - диэлектрическая проницаемость.

Рис. 1

Расчет АЧХ был выполнен для сплошного электрода - 1, с противофазно включенными электродами при 1>>Ь - 2 и при I и Ь - 3. На графиках рис.2 видно, что при узком электроде остается одна резонансная частота/2 , а при I = Ь нарушается её моночастотность. Относительное изменение КЭМС приведено в табл.1, из которой видно, что в предлагаемом варианте кэф и 2к31. Распределение механических напряжений при I и Ь определяется по длине и ширине элемента выравниванием с = с0 С0Б(р/); сЬ = с0 СОБ(РЬ), если начало координат помещено в центр соответствующего направления. В работе [4] это распределение принято параболическим для удобства оценки влияния ширины элемента.

С помощью разделения и встречного соединения электродов можно достичь концентрации всей энергии преобразователя на одной гармонике [1]. Проводимость стержня в таком случае определяется по формуле / & / &

=-------------+--------

I I

+

+

На рис.2 приведены нормированные графики АЧХ проводимости тонкого стержня при неразделенных У1(1) встречно включенных У2(1} электродах и широкого стержня при встречном включении электродов У3(1) Если размеры стержня соизмеримы и возникающий резонанс по ширине (толщине) попадает в область основного резонанса, то нарушается поршневое излучение, а одномерная модель колебаний уже не применима. Это явление рассматривалось в статье [4]. Результаты были получены для случая взаимодействия продольного и поперечного пьезоэффекта. В нашем случае рассматривалось взаимодействие длины и ширины стержня, возбуждаемого на поперечном пьезоэффекте.

| У1 ( Г) |

У0

І У2 ( Г) |

У0

У0

Рис. 2

Амплитудное распределение смещений по поверхности преобразователя рассчитано по формуле

( ) = [ - ( )] ,

где а - коэффициент Пуассона.

На рис.3 приведено теоретическое распределение деформаций по ширине стержня. Получено хорошее согласование между теоретическим (а) и экспериментально измеренным распределением (б), где и0 - деформация рабочей поверхности, и1 - в узловой линии. Результаты нормированы к серединной плоскости. Для подтверждения теоретического исследования был проведен эксперимент по стандартной методике измерения параметров пьезокерамики в динамическом режиме. Снимались АЧХ проводимости для тонкого пьезокерамического стержня размером 70x7^3,25 мм из пьезокерамики ЦТБС-3 и для стержня размером 79,5x36,5x4 мм из пьезокерамики ЦТСНВ-1. АЧХ измерялись для различных случаев расположения и соединения электродов.

а б

Рис. 3

На рис.4 приведены нормированные АЧХ, полученные для тонкого стержня, а на рис. 5 - при соизмеримых размерах преобразователя, где за максимальную частоту принято значение частоты на основном резонансе при неразделенных электродах, а

амплитуда проводимости нормирована по максимуму проводимости двухполуволнового пьезоэлемента. На рис.4 кривая 1 - для встречного соединения электродов стержня, 2 -для стержня с разделенными электродами, 3 - при неразделенных электродах преобразователя. Можно наблюдать концентрацию всей энергии элемента на второй гармонике при встречном включении электродов.

АЧХ для широкого стержня при различном способе включения электродов показаны на рис.5. Сравнивая результаты, можно заметить нарушение моночастотности и сильную связь между модами колебаний по длине и ширине.

и1

І1

и2 І2 из із

А і

±2,

±тах

±тах

±тах

Рис.4

иь

Иі И2 .

±1х ( ±і ^ ( ±2у ^

±тах ) ’ I ±тах ) I ±тах )

Рис.5

По данным эксперимента рассчитаны коэффициенты связи для тонкого и широкого стержней. Результаты приведены в табл. 1, где приняты обозначения: А - при встречной коммутации электродов; Б - при разделенных электродах и возбуждении одной половины стержня; В - при сплошных электродах преобразователя. Коэффициенты связи нормированы к коэффициенту на первой гармонике.

Таблица 1

Эффективные коэффициенты электромеханической связи

Мода колебаний Для тонкого стержня Для широкого стержня

А Б В А Б В

1 0,95 1 - 0,78 1

2 .68 0,56 - 1,08 1,32 1,43

3 0,66 0,77 0,65 0,90 0,60

Для сравнения энергетических характеристик преобразователя при различном расположении и включении электродов выведена эквивалентная схема для стержня со встречно соединенными электродами и произведен энергетический расчет параметров. Сравнительные результаты приведены в табл.2, где упр(/р) - чувствительность в режиме приема, уизл(/р) - чувствительность в режиме излучения, и - напряжение возбуждения при удельной акустической мощности 2 Вт/см2, Кии= уизлОр) х упр(/р) - коэффициент передачи на резонансной частоте.

Таблица 2

Энергетические характеристики преобразователя_________________

Способ соединения электродов УпрС/р) мк В/Па УизлС/р) В/Па и, В кии

А 563.5 419.1 134.5 0.23

В 193 348.3 161.8 0.067

Характеристики направленности в вертикальном направлении для антенны ГБО приведены на рис. 6, где 1 - для двух элементов размером Хср/2; 2 - для широкого элемента размером Хср. Результаты сравнения ХН в горизонтальном и вертикальном направлении приведены в табл.3, где можно видеть увеличение уровня бокового излучения в вертикальном направлении для антенны с базой из одного элемента шириной X, а ХН в горизонтальном направлении практически не изменяется.

1

0.9

0.8

|Ю (0 Я 0.7

0.6

|И2( 0 )| 0.5 --------- 0.4

0.2 0.1

0 0

-10^80-60-4^20 0 20 40 60 80 100 ^ 90, 0 ,90.,

Рис. 6

Таблица 3

Параметры характеристик направленности________________________

Элемент антенны 00.7 Г 0 0.7 В УБЛ1 КОКВ

Поршневое излучение 1,760 59,60 0 % 46,658

Непоршневое излучение 1,760 5 ^1 О 16 % 46,5

Исходя из вышеизложенного сделаем следующие выводы. Двухполуволновый преобразователь на поперечном пьезоэффекте имеет высокую эффективность при работе на резонансе в режиме излучение - прием и свободен от гармонических

составляющих. Однако необходимо учесть, что для антенн накачки параметрических ГБО эффективность достигается только при излучении, а в режиме приема сигнал будет отсутствовать, если не переключить электроды в последовательное соединение.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тарасова Г.Б. К вопросу о электромеханическом демпфировании пьезоэлектрических двухполуволновых преобразователей // Известия ТРТУ, №1, 2003. С.106.

2. Старожук П.В. Двухполуволновый преобразователь // Тезисы Всероссийской конференции аспирантов и студентов. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. С.

3. Аронов Б. С. Электроакустические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. Л.: Энергоатомиздат,1990.

4. Stephen W. Smith, Olaf T. von Ramm, Michael E. Haran, and FrederickL. Thurstone. Angular Response of Piezoelectric Elements in Phased Array Ultrasound Scanners. Transactions on Sonics and Ultrasonics.1989. № 3 Front Matter

5. Балабаев С.М. Ивина Н.Ф. Анализ пьезопреобразователей комбинированным методом конечных и граничных элементов // Акуст. журнал. 1996. Т. 42. №2. С. 172 -178.

Н.Н. Чернов

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ В СЛОЖНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Гидродинамические силы, возникающие между аэрозольными частицами в мощных акустических полях, представляют большой интерес при изучении процессов акустической коагуляции, сушки, интенсификации массообмена и процессов горения.

Величина сил гидродинамического взаимодействия между частицами зависит от параметров акустического поля и режима обтекания их средой. В частности, для промышленных коагуляционных установок, использующих низкие частоты 100 -800 Гц и уровни звукового давления до 150 дБ при среднем медианном размере частиц аэрозоля, Я и 5 мкм режим обтекания их средой можно считать квазистационар-ным [1], следовательно, выполняется условие

т/т — ,

где ю = 2я:Г - частота колебаний среды; V - скорость обтекания частиц радиуса Я; V - кинематическая вязкость среды.

Решение задачи пространственного взаимодействия частиц в звуковом поле будем рассматривать при стоксовском режиме обтекания, характеризующимся числом Рейнольдса: Яе=2Ш^ < 1. При этом звуковое поле будет представлять собой суперпозицию акустических полей, вектора колебательной скорости

которых и взаимно перпендикуляр-

ны и параллельны соответствующим осям х, у и х (рис.1).

Система уравнений, описывающая пространственное взаимодействие произвольного