Феррожидкостный гидроакустический излучатель Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

- медное покрытие оказывает влияние как на толщинные, так и на радиальные моды колебаний пьезопластин, при этом частота толщинного резонанса понижается с увеличением толщины электродов, а частоты радиальных резонансов - повышаются;

- величина смещения резонансной частоты пропорциональна времени меднения;

- небольшое увеличение толщины электродов способно весьма существенно повысить механическую добротность пьезопластин;

- изменение толщины электродов позволяет корректировать резонансную частоту пьезопластин без внесения дополнительных механических потерь.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981. 240 с.

2. Пьезокерамические преобразователи: Справочник/ Сост. В.В. Ганопольский, Б. А. Касаткин и др. Л.: Судостроение, 1984. - 256 с.

3. Ямпольский А.М., Ильин В.А. Справочник гальванотехника. Л.: Машиностроение, 1981.

4. Сорокин И.Н., Сеченов Д.А., Милешко Л.П., Королев А.Н, Методические указания по изучению курса «Физико-химические процессы в технологии радиоэлектронных средств и микроэлектроники» Ч. 3. Электрохимическое осаждение металлов. Таганрог: ТРТИ, 1988.

5. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Автоматизация лабораторных измерений частотных характеристик пьезоэлементов и пьезопреобразователей / Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2002. Юбилейный выпуск. С. 82-87.

6. Справочник по гальванотехнике /Под ред. В.И. Лайнера. М.: Металлургия, 1967.

Б .В. Дюдин, В.Б. Дюдин

ФЕРРОЖИДКОСТНЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

В последние годы значительно возрос интерес к изучению физикохимических и механических свойств ферромагнитных дисперсионных систем, которые представляют собой взвесь с ярко выраженными магнитными свойствами (т.е. обладают значительным собственным магнитным моментом единицы объема).Ферромагнитные жидкости открывают большие перспективы их использования в научных исследованиях и в создании принципиально новых технических устройств.

Рассмотрим конструктивное исполнение излучателей на ФМЖ, работающих в поршневом режиме, их инженерный расчет и использование ФМЖ для повышения эффективности параметрических излучателей.

Конструкция феррожидкостного преобразователя основывается на том, что на объем ФМЖ воздействуют однородным постоянным магнитным полем с напряженностью Н=, выбираемой из кривой намагниченности для ФМЖ и переменным

магнитным полем Н я , создаваемым неоднородным градиентом, коллинеарным направлению излучения, и способствующим уменьшению радиальных колебаний объема, являющихся паразитными и отбирающих энергию от основных осевых колебаний жидкости. При наложении на объем ФМЖ неоднородного переменного магнитного поля за счет пондеромоторных сил в объеме жидкой фазы возникают переменные давления, которые являются источником акустических колебаний.

Полый цилиндр 1 с немагнитной боковой поверхностью заполнен магнитной жидкостью 2, которая граничит с воздухом и жидкой средой, принимающей излучаемые колебания, и отделена от них мембранами 3 и 4, тонкими податливыми

пленками, предназначенными для устранения диффузии в ФМЖ граничной фазы, а также устранения эффектов, вызванных неустойчивостью поверхности в магнитном поле. Соленоиды 5 являются источником переменного неоднородного, а соленоиды 6 - постоянного неоднородного магнитного поля.

Обмотки соленоидов 5 намотаны на кольцевые каркасы, имеющие форму усеченных конусов и размещенные с коаксиальной симметрией относительно направления излучения колебаний, причем меньшие основания конусов противоположны друг другу. Такая конструкция соленоидов обеспечивает постоянство напряженности переменного магнитного поля в сечении, перпендикулярном оси, и периодическое изменение градиента напряженности на противоположное в процессе генерации колебаний, причем градиент напряженности коллинеарен направлению излучения (рис.1).

Под действием сил пондеромоторного взаимодействия поля с жидкой фазой возникают распределенные по объему силы, величина и направление которых периодически меняются с частотой задающего напряжения. Для получения резонанса период переменного магнитного поля выбирают равным периоду собственных колебаний объема феррожидкости. Параметры ФМЖ, представляют собой смесь ферромагнитных частиц в керосине (табл.1). Данные получены нами.

Расчет параметров, необходимых для построения ФМЖ преобразователя, а также некоторые его акустические характеристики приведены ниже.

Таблица 1

Физические данные ФМЖ_________________________________

р кг/м3 Н М/М С1 м/с «1 п-параметр нелинейности

1686 20 60 1127,4 0,055 43,4

Пусть ФМЖ помещена в объем в форме трубки радиусом Я и высотой Ь. Высота цилиндра с ФМЖ может быть найдена из выражения для резонансной частоты полуволнового излучателя:

с

Ь = - ^, (1)

2 0

где с - скорость продольных волн в ФМЖ; ^ - резонансная частота излучателя.

Для уменьшения влияния радиальной моды при колебании торцевой поверхности типа поршня необходимо, чтобы выполнилось условие кЯ = 1,84. Откуда может быть найден поперечный размер объема излучателя:

В = 2-Я = 2-1,84 •С1 . (2)

2^0

Полученное значение Б = 0,033 м меньше, чем длина волны в воде, поэтому данный преобразователь практически не направлен. При необходимости направленного излучения следует увеличить Б в соответствии с заданной шириной диаграммы направленности. Давление на излучающей поверхности преобразователя определяется выражением

2 1

Р = гПЕ0 Ь

(3)

где Zн=pнсн - импеданс нагрузки излучателя; Бо - амплитуда силы, действующей на единицу массы.

По формуле (3) были рассчитаны амплитудно-частотные характеристики для феррожидкостного преобразователя, нагруженного одной стороной на воду, другой -на воздух, имеющего параметры: Б=0,033 м, См=1127 м/с , 2н=1,5 106 кг/м2 с , р =1680 кг/м3 [7].

На резонансе величина амплитуды давления на излучающей поверхности определяется

Р = ЛБт = Мим • Ь/20Бт =ц0^Мию • Ь^Н,^ где Ми„ - намагниченность насыщения; Бт,Нт - амплитуды магнитной индукции и напряженности магнитного поля, соответственно; 20 - шаг сетки по координате на зависимости изменения мгновенного значения напряженности магнитного поля вдоль оси излучателя; Л - постоянная магнитного напряжения, равная Л =867 •Ш3 Н/м2 Тл. При М =40 кА/м, 20 =0,15°/см.

Расчет по формулам (2) и (3) при различных значения Вт сведен в табл. 2 (при п=0,6).

w = 1-(Р •8 •п)2

2 Яиз

Механическая добротность МЖП на основном резонансе определяется по приближенной формуле

© = п_____^мж____,

2 (Яо + Яв)

где Ямж, ЯоДв - характеристический импеданс в феррожидкости, в воде и в воздухе. Поскольку Яв<Яо, то можно записать

© п Я

2 Яо

Для нашего случая имеем

©=1,63.

Как видно из приведенного расчета, механическая добротность преобразователя достаточно низкая. Толщина мембран, ограничивающих феррожидкость, определяется условием звукопрозрачности d < Хт / 4, где Хт / 4 - длина волны в мате-

риале мембраны. Если мембраны из резины марки 8130, для которой С=1750 м/с, то d < 0,0875 м.

Таблица 2

Результаты расчетов__________________________________

Bm, Тл P, Па Wa, Вт Wауд, Вт/см2

0,5 433,5 • 104 256 2,26

0,01 В670 0,1 В,32^10-3

0,005 4335 0,00256 2,26^10-4

Угол между осью преобразователя и образующей усеченного конуса а, являющегося боковой поверхностью каркаса катушки (рис.1), может быть вычислен исходя из выражения: а = arctg D/L. Подставляя значения D и L, находим а = 49,5°. Размер L1 (см. рис.1) можно определить как L1 = D0/2 sina или L1 = 0,014 м.

Используемая в описанном ФМЖП феррожидкость имеет намагниченность насыщения 40 кА/м. Для поддержания этой величины намагниченности необходимо поле Ни 100 А/м, при этом количество витков катушки определяется приближенно соотношением N = 2Lс•Н/I -К, где L1 - длина соленоида; I - величина постоянного тока; К - коэффициент запаса (К=1,15).

Так как Lc = L/ 2 + L1 cos а или Lc = 0,025 м, то при I = 0,4 А имеем N =20.

Число витков для катушки, создающей переменное магнитное поле, находится приближенно: N и Um / 2nf Bm S p, где Um - амплитуда переменного напряжения, подводимого к катушке; f - частота; Bm - амплитуда магнитной индукции; Р - коэффициент, зависящий от отношения lc/ (D/4 cos^ + D/2 + l / 4tga); S - величина, численно равная площади.

При Um = 100В, Bm = 0,01 Тл, p = 0,56 находим S = 0,00345 м2, N и 41.

Выше было отмечено, что резонансную частоту преобразователя можно рассчитать как для полуволновой системы. Однако рассчитанная таким образом частота не учитывает наличие упругих мембран и жесткого стаканчика. Точного расчета резонансной частоты с учетом вышеуказанных фактов для сосудов круглой цилиндрической формы провести невозможно. Вследствие этого была экспериментально исследована зависимость резонансной частоты от геометрии резонанса. На рис.2 приведены зависимости резонансной частоты от высоты резонатора.

Характер полученных в эксперименте зависимостей вполне согласуется с классическим представлениям о цилиндрическом резонаторе, находящемся под воздействием непрерывно распределенной по объему резонатора вынуждающей силы.

Я

У

h

-№

■■

\

\

1- ч>=3^г/'i*i £3- <v*

=i

Рис.2. Зависимость резонансной частоты от высоты резонанса

І'Г-'Ofi

P-7W!

/

\

\

ч

^ N \ ' \

' \

і

-1-й

£ ?$ $8 X W %

Рис.3. Амплитудно-частотная характеристика феррожидкостного преобразователя

Амплитудно-частотная характеристика ферромагнитожидкостного преобразователя была исследована экспериментально и рассчитана на ЭВМ в диапазоне частот 16-26,7 кГц. По полученной зависимости рассчитаем добротность преобразователя р= йэ/Д:Г=2,32. Полученная добротность выше рассчитанной, что объясняется несовершенством акустической развязки колебательной системы с элементами конструкции преобразователя.

Рассмотрим применение МЖ для повышения эффективности параметрических излучателей. Для этих целей используют ряд приемов, один из которых заключается в применении промежуточных слоев, располагаемых между активным элементом и рабочей средой. Если в качестве промежуточной среды взять магнитную жидкость, то для повышения эффективности параметрического излучателя можно использовать еще один способ, суть которого в следующем. Ферромагнитная жидкость, которая располагается между излучателем и рабочей средой, возбуждается магнитным полем на резонансной частоте равной частоте волны ВРЧ. Возникающая в результате воздействия неоднородного переменного магнитного поля на объем МЖ упругая волна усиливает волну разностной частоты, образованную в результате нелинейного взаимодействия волн двух частот. Главным условием при этом является синфазность волны разностной частоты и упругой волны, образующейся при возбуждении объема МЖ переменным магнитным полем. Эту функцию может выполнять синхронизатор, который обеспечивает синфазность сигналов от генераторных устройств, питающих пьезоэлемент и катушки индуктивности, создающие неоднородное переменное магнитное поле.

Магнитная жидкость в параметрическом излучателе в этом случае играет двойную роль: используется в качестве промежуточной среды, у которой коэффициент нелинейности больше, чем у воды, и является источником подкачки энергией волны разностной частоты. Эти два эффекта, при приближенной оценке по формуле (2), позволяют повысить коэффициент преобразования до 8%.

Исходя из представленных ранее соображений, параметрический излучатель с подкачкой энергии на разностной частоте должен сочетать в себе обычный параметрический излучатель с промежуточной средой и феррожидкостный излучатель. Конструкция излучателя на разностной частоте изображена на рис.4. Он состоит из одноэлементной плоской пьезокерамической антенны и магнитножидкостного преобразователя. Методика расчета феррожидкостного излучателя аналогична приведенной ранее.

Несущей конструкцией излучателя является корпус 4, представляющий собой герметичный отсек, в котором размещены катушки, создающие переменное и постоянное магнитные поля - 5, стакан из диамагнитного материала - 7, заполненный ферромагнитной жидкостью (промежуточная среда). В верхней части стакана располагается пьезокерамическая антенна - 12, а в нижней - звукопрозрачная мембрана - 11. Токопроводящие провода 17 от катушек и пьезоэлемента закрепляются на каркасе 15. Герметичность кабельных вводов I осуществляется по общепринятой методике.

Катушка электромагнитов 5 состоит из обмоток и каркаса 6, изготовленного из алюминия, с целью уменьшения влияния вихревых токов в каркасе с одной стороны вдоль образующей сделана прорезь. В связи с тем, что намотка провода на трапециевидных катушках представляет особые трудности, то катушка составлена из двух каркасов.

Антенна представляет собой пьезокерамическую пластину из ЦТС-19, прикрепленную к крышке смолой ЭД5-65. Герметизация разъемных соединений осуществляется с помощью канавочных уплотнений с кольцевыми прокладками 9,14,16. В качестве звукопрозрачной мембраны в конструкции применяется мембрана из фторопластовой пленки.

Рис.4. Конструкция излучателя с подкачкой энергии на разностной частоте

Электронная схема для питания параметрического излучателя с подкачкой энергии на разностной частоте должна иметь не менее двух генераторных устройств. При построении структурной схемы для возбуждения пьезокерамики были выбраны и амплитудно-модулированные колебания (АМК), поскольку по сравнению с другими колебаниями сложной формы АМК имеют более простую схемную реализацию.

Для питания соленоидов необходим источник постоянного тока, создающий постоянное магнитное поле Н= и генератор синусоидальных колебаний, возбуждающий неоднородное магнитное поле Ню на частоте разностной волны. С целью достижения синфазности волн разностной частоты и упругой волны, возбужденной столбом магнитной жидкости, для питания соленоидов и пьезокерамики применяется один и тот же генератор.

В качестве усилителя мощности для питания соленоидов в лабораторной установке используется генератор УЗГ - 1,5 с небольшими переделками.

В заключение следует отметить:

- исследованы акустические свойства некоторых ферромагнитных дисперсных систем;

- проверена работоспособность ферромагнитного излучателя;

- разработана конструкция параметрических излучателей с промежуточной средой и с подкачкой энергии на разностной частоте.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Подводная акустика / Под ред. Л.М. Бреховских, М.: Мир, 1970. С. 325-346.

2. Акустика морских осадков /Под ред. Л.Хемптона. М.: Мир, 1977. С. 228-273.

3. Тимошенко В.И. Расчет и проектирование параметрических акустических преобразователей. Ч.І. Таганрог: ТРТУ, 1985. С. 105.

4.Merklinger H.M. Improved efficiency in the paremetrie transmitting array. JASA. 1975. V.58. №4.

5. Muir, Melleubruch, Jockwood. JASA. Reflection of finifeamplitude waves in a pa-rametrie array. 1975. V.2, №2. Р. 251-276,

6. ГитисМ.П., Химунин А. С. О дифракционных эффектах в

ультразвуковых измерениях // Акуст.ж.урнал. № 14, 4. 1965.С. 489.

7. Фирсов И.П., Внешние структуры ближнего поля и эффективность параметрического излучател // Гидроакустика. Таганрог, ТРТУ. 1979. С. 21-23.

8.Дюдин Б.В. Устройство для создания в жидкости низкочастотного акустического поля. Авт.свид. №698677. №43. 1979.

А. Г. Ишутко, Т. Н. Куценко, С.П. Тарасов

ВЛИЯНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛН НАКАЧКИ В ГРУНТЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

Задача лоцирования объектов, находящихся под слоем грунта, решалась неоднократно [1, 2]. Авторы предполагали, что волны накачки отражаются от границы раздела двух сред, а прошедшая волна сразу затухает, т.е. взаимодействие в грунте отсутствует. Однако в мелком море могут возникнуть такие ситуации, когда расстояние до границы раздела будет мало (< 2• 1д, где 1 д- длина зоны дифракции). В

этом случае амплитуды волн накачки еще существуют, проходят в грунт, взаимодействуя в нем, образуют волну разностной частоты (ВРЧ), которая вносит определенный вклад в суммарную амплитуду звукового давления ВРЧ, распространяющуюся в грунте.

Задача настоящей работы состоит в том, чтобы учесть вклад, вносимый в амплитуду ВРЧ за счет взаимодействия волн накачки в грунте.

Геометрия задачи представлена на рис.1. Антенна излучает две волны накачки с частотами накачки ^, $2 и амплитудами звукового давления р1 и р В результате их взаимодействия образуется волна разностной частоты Б с амплитудой звукового давления р . Эти три волны, дойдя до границы раздела двух сред, проходят во

вторую среду с коэффициентом прохождения т который для продольной волны равен [3]

т _ р 281 ,

112 р1 81 +1 (1)

где

р1с1 • сО8(0)

81 Рс • С°(0 пр) (2)

Здесь р с1 - удельная плотность и скорость распространения волны во второй среде; р, с - удельная плотность и скорость распространения в первой среде; 0 -угол падения волны на границу раздела двух сред; 0 пр - угол преломления волн накачки и волны разностной частоты.

В результате прохождения волн, распространяющихся в первой среде и через границу раздела двух сред, во второй среде образуются четыре волны: прошедшая волна накачки с амплитудой р1 равна р| _ т • р с амплитудой р2 - р2 _ т12 • Р2 и