1

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИт“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

05.09.08 - Прикладна акустика та звукотехніка

УДК 534-14

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ГІДРОАКУСТИЧНІ ПРИСТРОЇ НА ОСНОВІ БАГАТОМОДОВИХ П`ЄЗОКЕРАМІЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Коржик Олексій

Володимирович

КИЇВ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ”КПІ”) Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України на кафедрі акустики та акустоелектроніки.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, Лейко Олександр Григорович, НТУУ”КПІ” Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, професор кафедри акустики та акустоелектроніки, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Савін Віктор Гурійович, НТУУ”КПІ” Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри теоретичної механіки;

доктор технічних наук, професор, Шарапов Валерій Михайлович, Черкаський державний технологічний університет Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри комп`ютеризованих і інформаційних технологій в приладобудуванні;

доктор технічних наук, професор, Сокол Галина Іванівна, Дніпропетровський національний університет Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, професор кафедри технічної механіки.

Захист відбудеться “26”травня 2011 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.19 в НТУУ”КПІ” за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, корп. 12, ауд. 412.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ “КПІ” за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги 37.

Автореферат розісланий “22” квітня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Б. Швайченко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення за останні десятиліття малошумних глибоководних та малогабаритних підводних об'єктів обумовило зміщення акцентів в теорії і практиці побудови гідроакустичних пристроїв в область низьких частот. В свою чергу це привело до виникнення та необхідності розв'язання ряду комплексних проблем для забезпечення задач виявлення та класифікації вказаних об'єктів. Зазначені проблеми полягають в :

- технічній реалізації векторно-фазових методів при прийомі звуку;

- максимізації коефіцієнта концентрації акустичних систем при малих заданих розмірах гідроакустичних забортних пристроїв;

- створенні глибоководних гідроакустичних пристроїв.

В свою чергу методи і підходи, що традиційно застосовуються до розв'язання вказаних проблем, виявляються незадовільними. Це пов`язано з рядом таких недоліків як ідеалізація фізичних процесів та математичних моделей роботи гідроакустичних пристроїв, а також перебільшенням в зв'язку з цим усіх припустимих масо-габаритних характеристик забортної апаратури. В процесі пошуку виходу із ситуації, що склалася, в роботах В.І. Іл`їчова, Н.С. Лейко, В.І. Маяцького була показана доцільність розв'язання вказаних проблем на основі реалізації в забортному пристрої суперпозиції коливань, які відповідають за характером сукупності хвильових характеристик поля, що подано набором власних форм. Таким чином, одним з можливих шляхів розв'язання зазначених проблем сучасної гідроакустики та технічної реалізації гідроакустичних пристроїв визначено шлях використання багатомодовості п'єзокерамічних перетворюючих коливальних систем.

Багатомодовість п'єзокерамічних коливальних систем відома давно. Значний внесок в дослідження умов виникнення багатомодовості коливальних систем різного типу у відповідності до фундаментальних положень акустики, механіки деформівного твердого тіла та класичної електродинаміки зроблено науковими школами академіків НАН України В.Т. Гринченка, А.М. Гузя, В.Д. Кубенка, А.Ф.Улитка, їх колегами та учнями, серед яких відмітимо А.Е. Бабаєва та І.В. Сенченка. Теоретична і практична спрямованість задач хвильової акустики з використанням одномодових систем та питання взаємного перетворення полів в п`єзоматеріалах знайшли своє відображення в роботах таких вчених як Б.С. Аронов, І.В.Вовк, В.Е. Глазанов , О.Г. Лейко, В.Г. Савін, Г.І. Сокол, В.М.Шарапов, Е.Л. Шендеров.

В той самий час практичне використання багатомодовості п'єзокерамічних перетворювачів не знаходило застосування в задачах проектування гідроакустичних пристроїв в зв'язку з недостатньою вивченістю багатомодових коливальних процесів і теоретичних аспектів зв'язаності коливань, а також завдяки значній теоретичній складності цих питань.

Отже , можна констатувати, що на сьогодні актуальність та практична значимість роботи, що пропонується, обумовлені необхідністю створення теоретичних основ розрахунку і фізичних основ побудови гідроакустичних пристроїв різного призначення на основі багатомодових п'єзокерамічних коливальних систем.

Наведені у дисертації наукові положення та результати у сукупності дозволяють сумісно і повно задовольнити вимогам сучасних комплексних проблем гідроакустики і тим самим забезпечити розв'язання важливої народно-господарської задачі, що пов'язана з обороноздатністю країни.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретична частина дисертаційної роботи виконана на кафедрі акустики та акустоелектроніки Національного технічного університету України “КПІ”, а її експериментальна частина - на експериментальній базі ДП “Київський НДІ гідроприладів”. Дослідження, результати яких викладно в дисертації, виконувались в інтересах дослідно-конструкторських та науково-дослідних робіт (ДКР і НДР), що проводяться Державним підприємством “Київський НДІ гідроприладів” за планами ДКР і НДР, зокрема в межах держбюджетних тем Міністерства промислової політики України з такими номерами державної реєстрації: ДКР “Баклан Б” № 0101U000021Т, ДКР “Глибина” № 0193U025710, ДКР “Трап” № 0196U000079Т, ДКР “Метрологія” № 0195U12544, НДР “Якір” № 0109U005285, НДР “Вектор” № 0109U006074, а також міжнародних контрактів за темами “Атлас”, “Олімп”.

Мета й завдання дослідження. Метою дослідження є розробка теоретичних основ розрахунку та фізико-технічних основ побудови гідроакустичних пристроїв різного призначення з використанням багатомодових п'єзокерамічних перетворювачів та впровадження їх в практичну гідроакустику.

Досягнення вказаної мети потребує розв'язання таких задач:

1. Розробка теоретичних методів розрахунку та визначення фізичних процесів зв'язаності коливань в багатомодових перетворювачах;

2. Розробка аналітичних співвідношень та визначення з їх допомогою закономірностей щодо степені участі мод коливань у формуванні фізичних полів багатомодових перетворювачів і систем. Створення на основи встановлених закономірностей теоретичних основ проектування гідроакустичних пристроїв, а також методів управління фізичними полями багатомодових перетворювачів;

3. Експериментальне підтвердження отриманих теоретичних результатів;

4. Фізична інтерпретація результатів досліджень і визначення на її основі пропозицій щодо технічної реалізації гідроакустичних пристроїв з використанням багатомодових перетворювачів і систем;

5. Впровадження отриманих результатів дисертаційної роботи в практику побудови гідроакустичних пристроїв різного призначення та в промислову реалізацію зразків гідроакустичної техніки.

Об'єктом дослідження є процеси взаємного перетворення акустичної, механічної та електричної енергії в багатомодових п'єзокерамічних перетворювачах в широкій смузі частот та їх вплив на формування фізичних полів.

Предметом дослідження є багатомодовий електропружний гідроакустичний перетворювач, що працює у складі системи та поза нею.

Методами дослідження є методи математичної фізики, методи гідроакустичних вимірювань та обчислювальні методи. При цьому наукові положення й висновки, що представлені в дисертаційній роботі, сформульовані на підставі застосування методів постановки і розв'язання задач стаціонарної гідроелектропружності, методу розділення змінних та методу редукції (послідовних наближень) при проведенні теоретичних досліджень, а також методів дальнього поля та імпедансних методів (в тому числі методу “резонансу - антирезонансу”) під час проведення експериментальних досліджень.

Достовірність отриманих результатів підтверджується збігом теоретичних даних з результатами експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Удосконалено методи розв'язання задач стаціонарної гідроелектропружності із застосуванням в розв`язку властивостей запропонованих функцій включення, що дозволяють врахувати як наявність заданої кількості електродів п'єзокерамічного перетворювача, їх геометрію, розташування і характер включення, так і можливість впливу активованих мод на результуючі коливання.

2. Вперше кількісно описані та фізично обґрунтовані ефекти зв'язаності мод коливань п'єзокерамічних перетворювачів та їх систем при роботі в рідині, встановлено умови зв'язаності та фізичні фактори керування нею. При цьому у вигляді амплітудних и фазових частотних характеристик електричних, механічних та акустичних полів, а також їх кутових залежностей визначені характерні особливості взаємовпливу сукупності мод вищих порядків на сумарні коливання поодиноких перетворювачів та їх систем в залежності від виду електродування поверхонь розглянутих електропружних систем та способів електричного навантаження.

3. Вперше показано, що багатомодовість та зв'язаність коливань надають можливість управління акустичними властивостями розглянутих електропружних об'єктів в широкій смузі частот шляхом обрання не тільки робочої частоти, але й геометрії та електричного навантаження електродів преотворювачів.

4. Вперше встановлено та фізично обґрунтовано вплив багатомодовості на дифракційну взаємодію перетворювачів систем. Показано шляхи та запропоновано методи регулювання властивостей фізичних полів перетворювачів щодо визначення кількісного впливу бажаної моди на характер коливань поодиноких багатомодових перетворювачів та їх систем.

5. Вперше отримано кількісні дані основних акустичних і механічних характеристик випромінюючих електропружних перетворювачів та їх систем при реалізації багатомодовості. Визначено необхідність застосування багатомодовості щодо зниження можливостей акустичного розвантаження перетворювачів систем випромінювання та відбору акустичної енергії з сусідніх перетворювачів.

6. Вперше отримані теоретично і підтверджені експериментально дані про просторові характеристики багатомодових перетворювачів, що дозволяють вважати поодинокі електропружні перетворювачі та системи на їх основі такими, що забезпечують можливість:

- формування характеристик направленості, яким притаманні просторові властивості одномодових випромінювачів та прийомників бажаного порядку;

- формування характеристик направленості, яки відбивають просторові властивості випромінювачів та прийомників багатомодового типу з використанням кількох наперед заданих мод;

– забезпечення максимізації коефіцієнта концентрації шляхом створення просторової вибірковості зі збільшеною гостротою направленої дії та однонаправлених характеристик;

– створення просторової вибірковості багатомодових перетворювачів шляхом використання акустичного екрану у вигляді електропружного розсіювача зі змінними акустичними властивостями.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи впроваджені в практику створення гідроакустичних засобів різного призначення та реалізовані:

- в ряді авіаційних гідроакустичних засобів у вигляді радіогідроакустичних буїв РГБ 36, РГБ 26 та РГБ U - 31 з багатомодовими прийомо-випромінюючими пристроями - приладами 36-3; 37-3; 38-3 ; 26-3М;

- в позиційних якірних радіогідроакустичних станціях з векторно-фазовими антенами;

- в корабельних гідроакустичних станціях з протяжним гідроакустичними антенами, що буксують;

- в способах и методах вимірювань під час проведення на метрологічній базі ГП “Київський НДІ гідроприладів” експериментальних досліджень акустичних характеристик акустичних матеріалів та електроакустичних характеристик промислових зразків гідроакустичних засобів різного призначення.

Всі впровадження результатів дисертаційної роботи підтверджені відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. В роботі узагальнено результати багаторічних досліджень, виконаних автором самостійно і висвітлених у 14 самостійних працях. Роботи виконані разом із співавторами [2-10, 12, 15, 24-26] наведені в переліку публікацій. При цьому із них безпосередньо здобувачу належать вибір та обґрунтування напрямку досліджень, постановка задач на різних етапах виконання роботи, аналіз та інтерпретація одержаних результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційного дослідження доповідались на:

- науково-практичному семінарі “МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ БОЕВЫХ ДЕЙСТВИЙ ВОЙСК И СИСТЕМЫ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ”. Академія ЗСУ, 1995. Київ

- Украинской конференции “МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ”, Киев, 1995 г.;

- Международных конференциях “DYNAMICAL SYSTEM MODELLING AND STABILITY INVESTIGATION”, Киев , 2001 г., 2005 г.;

- Акустичному симпозіумі “КОНСОНАНС-2009”, Київ, 2009 р.;

- ХХХ міжнародній науково - технічній конференції “ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ”, Київ , 2010 р.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 28 наукових праця, із них 14 самостійних, 23 роботи опубліковано в фахових журналах, 4 роботи опубліковано у матеріалах і тезах доповідей, оригінальні рішення захищено патентом України.

Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, восьми розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи складає 305 сторінок, 132 рисунків (з них 33 повністю займають площу сторінки), список використаних джерел з 235 найменувань на 22 сторінках, 6 додатків на 53 сторінках (в тому числі 3 таблиці).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, наведені дані щодо їх апробації і впровадження.

Дисертаційна робота є узагальнюючою працею і структурована з врахуванням наступних напрямків :

? Визначення перспектив та основних шляхів сумісного розв'язання основних комплексних проблем сучасної гідроакустики.

? Обрання об'єкту та основних типів предмету дослідження. Вибір та обгрунтування основних положень фізико - математичного моделювання;

? Розв`язання задач , чисельні дослідження та аналіз результатів;

? Експериментальні дослідження.

? Визначення технічних пропозицій, напрямків технічної реалізації результатів досліджень та їх промислове впровадження.

Результати роботи за зазначеними напрямками викладені в розділах дисертації і визначають загальний сучасний стан розв'язків задач стаціонарної гідроелектропружності про прийом та випромінювання звуку багатомодовими п`єзокерамічними коливальними системами у складі гідроакустичних пристроїв. Фактично, проблематика дисертаційної роботи охоплює широке коло сучасних науково-практичних комплексних задач гідроакустики та створює теоретичні і фізико-технічні засади використання властивостей такого явища як багатомодовість коливальних електропружних систем та її впливу на формування основних фізичних полів перетворювачів при побудові гідроакустичних пристроїв різного призначення.

У розділі 1 проведено аналіз сучасних проблем акустики, визначено можливі шляхи їх вирішення та зроблено загальний літературний огляд за темою дисертації.

Так, зокрема, показано, що проблеми сучасної технічної акустики визначаються широким колом задач та основною стає роль акустичних методів і засобів в таких напрямках науково-технічної діяльності як дослідження світового океану та атмосфери, задач навігації, сейсмології, медицини, в також в питаннях інженерної реалізації акустичних пристроїв різного призначення. Така ситуація обумовлює необхідність побудови фізично адекватних моделей формування та реєстрації звукових полів в робочих середовищах класичної акустики, а також визначення суті технічних прийомів та рішень щодо створення нових акустичних засобів.

При цьому розвиток систем морських озброєнь обумовив зростання вимог до гідроакустичних засобів в частині розв'язання задач виявлення і класифікації підводних об'єктів на максимально можливих дистанціях за умов збільшеної точності пеленгування. Задовольняючи цим вимогам, природним технічним рішенням був перехід в область низьких частот (в зв'язку зі зменшенням втрат на просторове загасання). За умов збереження вимог до точності пеленгування та використання традиційних підходів до проектування гідроакустичних засобів, це призводить до суттєвого збільшення масо-габаритних характеристик забортних пристроїв. Для повітря такий перехід пов`язується з виникненням проблем захисту від низькочастотного акустичного навантаження в системі “людина - оточуюче середовище” та є предметом розгляду акустичної екології (В.С. Дідковський, Г.І. Сокол).

Одним з можливих напрямків пошуку рішення вказаних задач в низькочастотному діапазоні є застосування векторно-фазових методів.

Другий напрямок обумовлено вимогами підвищення точності пеленгування та пов`язано з розвитком алгоритмічного забезпечення, удосконаленням апаратної складової гідроакустичних пристроїв, в частині забезпеченням максимізації таких просторово-енергетичних характеристик прийомних та випромінюючих систем - як коефіцієнт концентрації та характеристика направленості за умов забезпечення малогабаритності антен та перетворювачів.

Третій напрямок відповідає необхідності створення глибоководних гідроакустичних систем.

Таким чином вимоги сучасної гідроакустики в частині комплексного розв'язання вказаних задач, потребують пошуку ефективних шляхів, які у повній мірі відповідатимуть як питанням адекватності фізико-математичного моделювання умов роботи гідроакустичних пристроїв, так і питанням створення теоретично-розрахункової і фізико-технічної бази побудови сучасної гідроакустичної техніки різного призначення.

За визначенням (В.А. Гордієнко, Л.Н. Захаров, В.І. Іл`їчов, 1989, 2007), векторно-фазовими вважаються методи, які дозволяють розв'язувати основні задачі акустики в частині відновлення акустичного поля в робочому середовищі у фіксованій області за результатами одночасної реєстрації як скалярних, так і векторних величин з врахуванням фазових співвідношень між ними. Такий принцип дозволяє формувати просторову вибірковість прийомних систем в низькочастотному діапазоні до 1000 Гц. Проте, основою ідеології векторно-фазових методів є вимога щодо повторюваності механічною системою пристрою реєстрації коливальних рухів часток середовища, що потребує створення специфічних датчиків визначеної фізичної природи із застосуванням принципів інерційного або силового характеру. Доречним є також створення спеціалізованих багатоканальних трактів обробки щодо перетворення одних характеристик поля на інші шляхом застосування спеціальних алгоритмів.

При цьому просторові можливості таких датчиків визначають одномодовим характером коливальних систем силового типу або декількох одномодових перетворювачів та практично вичерпуються створенням найпростіших характеристик направленості виду , ,, або сумарних характеристик у відповідності до створення комбінованих (відносно до скалярних і векторних характеристик поля) датчиків.

Підвищення якості просторових характеристик антенних пристроїв в умовах обмеження їх масо-габаритних характеристик є спорідненим до задач оптимізації гідроакустичних антенних систем обмежених розмірів за критерієм максимізації коефіцієнта концентрації. В цьому сенсі викликає зацікавленість так звана “наднаправленість”, яка в гідроакустиці за своєю ідеологією фактично є ідеалізованою ситуацією набуття антенними системами підвищених направлених властивостей без змінення їх габаритів при зменшенні робочої частоти (В.І. Маяцький). Термін “наднаправленість” залучений з області радіоантен (Г.З. Айзенберг, О.О. Пістолькорс, Р. Хансен) та в свій час фактично був рівнозначним ситуації неможливості створення антенних пристроїв з такими властивостями - отже широкого впровадження в гідроакустичних засобах не знайшов.

Проте, реалізація “поміркованої наднаправленості” (В.І. Маяцький), є своєрідним компромісом достатньо спірного виграшу в направлених та програшу в енергетичних якостях пристрою і може полягати в поліпшені просторових характеристик забортних пристроїв за умов максимізації коефіцієнту концентрації систем в заданих габаритах при зменшенні частоти.

“Наднаправлені” властивості гіпотетичного забортного пристрою умовно формалізують уявлення про мінімізацію бокового поля антенного пристрою і можуть бути віднесені до одного з напрямків синтезу оптимальних антен. При цьому можливості використання декількох мод коливань перетворювача надають додаткові можливості щодо максимізації коефіцієнту концентрації та створення характеристик направленості зі збільшеною гостротою направленої дії (Н.С. Лейко, В.І. Маяцький). Однак, методи реалізації вказаної “поміркованої наднаправленості” залишаються невизначеними, бо невизначеними є особливості фізико-математичного моделювання умов роботи антенного пристрою у відповідності до традиційних підходів синтезу антенних пристроїв.

На сьогодні екранування гідроакустичних антен та перетворювачів забезпечують звукопоглинальними або звуковідбивними середовищами, що представлені засобами і матеріалами звуковідбиття (звукорозсіювання) у вигляді розподілених шарів, поодиноких об'єктів та їх систем. Більшість сучасних звукопоглинальних та звукорозсіювальних матеріалів є залежними від статичного тиску, в зв'язку з чим якість екранування витримується лише до горизонтів 200 - 300 м, що звужує діапазон робочих глибин та перспективи використання традиційних матеріалів та конструкцій. В зв'язку з цим доцільно згадати, що розсіювачі забезпечують формування завданої просторової вибірковості антенних пристроїв та їх елементів лише в вузькому діапазоні частот, а їх акустичні властивості залишаються ідеалізованими як на етапі постановки задачі, так і на етапі чисельних досліджень. Фізичні властивості матеріалів та конструкцій екранів і розсіювачів, їх ефективність та можливості розглянуто достатньо широко лише для одномодових систем та спрощених модельних ситуацій як за геометрією, так і за фізичним особливостями (наприклад, роботи І.В. Вовка, В.Т. Гринченка, В.Е. Глазанова, О.Г. Лейка, О.Є. Клімова, Е.Л. Шендерова). Очевидно, створення розрахункової моделі, яка виключає використання для екранування матеріалів та конструкцій, залежних від статичного тиску, дозволить отримати новий інструмент проектування глибоководних гідроакустичних засобів. І в цьому випадку можливості багатомодовості мають забезпечити просторову вибірковість глибоководних систем без використання згаданих матеріалів екранування.

Отже, вказані проблеми сучасної гідроакустики не можуть бути розв'язані окремо одна від одної з використанням традиційних методів. Тому виказані В.А. Гордієнко, Н.С. Лейко, В.І. Маяцьким міркування щодо можливостей застосування ідей багатомодовості при розв`язанні вказаних проблем можуть бути покладені в основу створення нового підходу до їх комплексного сумісного розв'язання. Проте, існуюче спрощення модельних уявлень і відсутність теоретично-розрахункового апарату обмежує можливості створення теоретично - практичних засад проектування гідроакустичних засобів вказаного типу, що потребує подальших досліджень у вказаному напрямку.

В зв'язку з цим у розділі 2 виконана постановка та розв'язання задач стаціонарної гідроелектропружності для найбільш поширених в сучасних гідроакустичних пристроях електропружних багатомодових прийомних та випромінюючих коливальних систем. Такими є багатомодові колові циліндричні та стержневі призматичні коливальні п'єзокерамічні системи з частковим, або роздільним електродуваннням робочих поверхонь і довільним електричним навантаженням сполучень “електрод - кабельна лінія - вхідний опір прийомного каналу (внутрішній опір каналу збудження )”. Вважається , що вказані коливальні системи розміщено в ідеальній рідині, в якій поширюються звукові хвилі, що описуються рівнянням Гельмгольця. При цьому формування акустичних полів в режимах прийому та випромінювання звуку відбувається з врахуванням дифракційної взаємодії вказаних коливальних систем по акустичному полю.

Отже, в розділі 2 наведено основні співідношенння гідроелектропружності, що включають спрощені (з врахуванням магнітних та електричних властивостей п`єзоматеріалів) рівняння Максвелла, рівняння стану для п'єзокерамічних тіл, співвідношення Коши для переміщень і деформацій, а також рівняння Н'ютона. Доповнюється вказана система рівняннями для акустичного поля у вигляді хвильового рівняння або рівняння Гельмольця. Використання при цьому ряду припущень, які встановлюють лінійність моделей класичної теорії пружності і акустики та задач деформації діелектричних тіл з внутрішньою поляризацією, яка може змінюватися під дією механічних напружень та акустичних чинників, дозволяє отримати загальні рішення задач про прийом та випромінювання звуку системами багатомодових перетворюючих систем. Основні положення такого підходу сформульовані в роботах В.Т. Гринченка, А.Ф. Улитка, А.М. Гузя та В.Д. Кубенка. Залучення гіпотез Кірхгофа- Лява та гіпотез плоских перетинів для системи коливань електропружних тіл, що можуть бути представлені тонкими оболонками та призматичними стержнями з виключно повздовжніми коливаннями, відповідно, дозволяє суттєво спростити результуючу систему рівнянь (G. Benoit, В.Т. Гринченко, А.М. Гузь, M.L. Baron, I. Faran, M.G. Janger, В.А. Борисейко, М.Ш. Микеладзе), яку записано відносно складових переміщень.

Вказані рівняння мають бути розв'язані із використанням загальних умов спряження по акустичним та механічним полям, що представлені:

- умовою випромінювання Зоммерфельда;

- умовами рівності нулю дотичних механічних напружень ;

- умовами рівності нормальних складників механічних напружень тиску в рідині, що записаний з протилежним знаком ;

- умовами рівності складників швидкостей руху часток середовища швидкостям зміщення в напрямку нормалі точок поверхні коливальних систем , де - потенціал звукового поля, - нормальна складова переміщень точок поверхні оболонок, -радіус-вектор, - час.

Електричні граничні умови зведено (В.Т. Гринченко, А.Ф. Улитко, М.А. Шульга) до двох основних ситуацій :

- режим випромінювання (ситуації використання в якості джерела електричної енергії джерела ЕРС, або джерела струму, а також випадки повного або часткового використання поверхні електропружного тіла);

- режим прийому.

Для режиму прийому розглянуто :

- випадки навантаження електродованої ділянки , на опір фіксованої величини

,

де - складник вектора електричної індукції, - електрична напруга, - площа електроду;

- випадок “короткого замикання”,

;

- випадок ”холостого ходу”

,

де , - потенціали електричного поля.

До того ж, для розв'язання задач прийому та випромінювання стержневими перетворювачами має бути застосовано довгохвильове наближення, що дозволить врахувати пульсуючий характер руху торців стержня без додаткового визначення граничних умов на його ребрах.

Фактично, за структурою роботи розділи 3-6 присвячено дослідженням результатів розв'язання наскрізних задач прийому та випромінювання, визначенню аналітичних умов активації мод коливань перетворювачів різних типів та пошуку шляхів управління фізичними полями перетворювачів за рахунок змінення амплітудних і фазових співвідношень модових складників різних коливальних систем. При цьому враховуються вид, кількість та місцерозташування електродів, а також їх електричне навантаження, амплітудні і фазові залежності основних характеристик фізичних полів та умови зв'язаності в широкому частотному діапазоні.

Таким чином, в зазначених розділах вивчено процеси активації модових складових характеристик електричних, механічних та акустичних полів, а також закономірності формування вказаних полів в запропонованих багатомодових коливальних системах. При цьому враховано, що власні форми коливань п'єзокерамічних тіл характеризуються зв'язаністю механічних та електричних полів та мають відмінні одне від одного значення резонансних та антирезонансних частот, які визначають не тільки величиною коефіцієнту електромеханічного зв'язку, але й ступенем змінюваності напруженого стану тіла за просторовою координатою.

Зазначимо, що в багатьох практичних випадках необхідним є збудження п`єзокерамічних тіл лише на певних формах з пригніченням інших. Отже, чим різноманітнішими є варіанти електродування робочих поверхонь п'єзокерамічних тіл, тим більшими є можливості електромеханічної активізації сукупності мод певних форм, які визначають не тільки значення резонансних частот і частотні діапазони роботи , але й просторово-енергетичні властивості п`єзокерамічних перетворювальних систем. Таким чином, започаткований Б.С. Ароновим енергетичний підхід до оцінки основних характеристик прийомних та випромінювальних п`єзокерамічних перетворювачів, показує подальшу необхідність створення універсального засобу врахування взаємодіючих фізичних полів під час взаємних перетворень акустичної і електричної енергії. В якості такого засобу запропоновано суперпозицію виду

,

де - функції включення -х електродів -го перетворювача системи виду

, - амплітудний коефіцієнт, що враховує можливе електричне навантаження -го електродів -го перетворювача.

При цьому розміри електродів, вид та ступінь симетрії їх електричного навантаження мають визначати амплітудно-фазові співвідношення вихідних напруг як для окремих певних форм, так і для їх сукупності. Так на рис.1 та рис. 2 , відповідно, наведені амплітудно-частотні і фазо-частотні залежності вихідних напруг на навантаженнях електродів циліндричних перетворювачів з різними кутовими розкривами (АЧХ та ФЧХ, відповідно).

Таким чином, розв'язання задач стаціонарної гідроелектропружності із застосуванням вказаних систем рівнянь та за вказаних припущень передбачає використання методу розділення змінних та властивостей повноти і ортогональності циліндричних та сферичних хвильових функцій, а також функцій виду (=0;1;2;.., ). Це із залученням зазначених граничних умов в результаті призводить до безкінечних систем алгебраїчних рівнянь виду



для систем циліндричних перетворювачів;

,

для систем стержньових перетворювачів;

де ,,, - невідомі коефіцієнти; , , , - коефіцієнти, що враховують дифракційну взаємодію елементів систем перетворювачів, містять залежності від хвильових параметрів задачі, конфігурації системи перетворювачів, вихідних характеристик п`єзокерамічного матеріалу, електричного навантаження, виду функцій включення електродів;

- номери елементів систем;

- змінні додавання.

Розв`язання систем (1) і (2) та визначення шуканих коефіцієнтів ,,,- дозволяє знайти розкладення акустичних, механічних та електричних полів, як результату розв'язання наскрізних задач. При цьому можуть бути застосовані вирази для тисків в циліндричних координатах



для акустичного поля в режимах прийому (3) та випромінювання (4),

де , - хвильові циліндричні функції Бесселя та Ханкеля; - кут падіння плоскої хвилі.

Для механічного поля радіальний складник переміщень може бути визначено як:

де ,,,,- розрахункові коефіцієнти; , - функції включення;

та для електричного поля

,

де - напруга на навантаженні відповідного -го електроду -го перетворювача;

, - кути розкриву електродів -го перетворювача.

Зведення безкінечних систем (1) до кінечних з порядком , а також вибір значень порядків рядів-розкладень (3), (4) відбувалося дослідним шляхом в результаті послідовного розв`язання усічених систем виду (1) зі зростаючими значеннями порядку та обчислення рядів-розкладень (3), (4) порядку на підставі отриманих значень та їх співставлення. Аналіз розрахункового досвіду подібних обчислень (роботи В.Т. Гринченка, І.В. Вовка, О.Г. Лейка, Е.А. Іванова, Е.Л. Шендерова) показує, що в якості вихідного значення для відшукання порядку усікання системи лінійних рівнянь виду (1) та розкладень (5),(6) можливо прийняти значення , де - хвильове число, - діаметр окружності, що описана навкруг перетворювача, що дифрагує, [..] - ціла частина числа, - коефіцієнт, величина якого для дальнього поля становить , а для ближнього .

Відмітимо, що порядок системи (2) визначається бажаною точністю розрахунків та представлення рядів - розкладень (наведено лише для акустичного поля, яке подано в для тисків в сферичних координатах з використанням приєднаних сферичних функцій Лежандра та сферичних функцій Ханкеля и Бесселя ) виду:

для режиму прийому звуку та

для режиму випромінювання.

Таким чином, вказаний підхід фактично визначає методологію розрахунків вказаного напрямку гідроелектропружності та створює теоретичне підґрунтя для визначення основних фізичних принципів формування полів багатомодових перетворювачів та їх систем з врахуванням зв'язаності коливань в широкі смузі частот.

Відмітимо, що характерними особливостями АЧХ та ФЧХ є індивідуалізація власних форм коливань в частині амплітуд, добротності та степені зв'язаності найближчих мод, що подано відповідними резонансними кривими залежностей амплітуд певних мод від частоти. При цьому нижчі форми характеризуються високим (до 40 %) ступенем зв'язаності. При зростанні номеру моди зв'язаність коливань послаблюється.

Отже, просторова вибірковість перетворювача в різних ділянках робочого частотного діапазону формується не однаково. Так ФЧХ показують мінливість характеру імпедансу перетворювача в резонансних областях для кожної моди окремо (послідовне набуття або інерційних, або пружних властивостей) та злиття значень фази зі зростанням номеру моди та частоти, що відповідає збільшенню кількості ділянок поверхні перетворювача, що коливаються в протифазі, та ситуації зближення вузлових ліній.

При цьому злиття фаз характеризує сумарне коливання як подібне до пульсуючого. Таким чином, для циліндричних коливальних багатомодових систем запропонований спосіб врахування розкриву, орієнтування та кількості електродів:

- визначає характер збудження в перетворювачі електромеханічно-активних мод та частотні області ефективності певних мод;

- дозволяє змінювати модовий склад і визначає різну ступінь зв'язаності мод нижчих та вищих порядків;

- показує можливість регулювання амплітудних вкладів мод шляхом змінення виду електродування та характеру електричного навантаження.

В частині дослідження стержньових систем у вигляді призматичного стержня з електродованими торцевими поверхнями встановлено, що рух робочих поверхонь має поршневий характер та зберігає його для всього діапазону частот, не впливаючи за рахунок зв'язаності на просторову вибірковість коливальної системи.

Переходячи до досліджень закономірностей формування фізичних полів багатомодових коливальних систем та акустичних пристроїв на їх основі, відзначимо що розгляду підлягають такі характеристики взаємодіючих полів як акустичний тиск, нормальні, тангенційні складники та повні переміщення точок поверхонь коливальних систем, а також електричні напруги на навантаженнях електродів (режим прийому).

При цьому, для поодиноких перетворювачів суттєвим стає питання формування зон акустичного освітлення та акустичної тіні, а також дифракційні та імпедансні ефекти, що пов`язані з утворенням переферійних хвиль та зміненням акустичних властивостей об`єктів дифракції. Основні результати розрахунків та аналіз вказаних характеристик та їх кутових розподілень наведено в розділах 4 та 5. Закономірності формування направлених властивостей акустичних пристроїв, які утворено багатомодовими перетворювачами, розглянуто у розділі 6.

Для режимів прийому та випромінювання розрахунки вказаних характеристик полів проводилися для циліндричних та стержньових перетворювачів та їх систем

В якості циліндричних та стержньових перетворювачів обрано п'єзоелементи типового ряду, які виконані з матеріалу ЦТБС-3. Циліндричний перетворювач має розміри м та нанесені на зовнішню та внутрішню поверхню електроди певного кутового розкриву , кожний з яких навантажено на окремий активний електричний опір через кабельний тракт. В якості стержньового перетворювача обрано прямокутний брус з розмірами: довжина =100 мм, товщина =15 мм, ширина =15 мм. Електроди нанесено на торцеві грані та через окремий кабельний тракт підключено до активних електричних опорів. Умови проведення обчислень безкінечних систем (1), (2) та рядів розкладень (3)-(9) відповідають наведеним вище. Кількість членів рядів становила 11, що забезпечило сходимість - не гірше ніж 1%.

Як показують розрахунки, умови зв'язаності під час переходу від поодинокого перетворювача до системи, змінюються, що проявляється в перерозподілі вкладів модових складників в сумарні коливання (наприклад, АЧХ рис. 5). Поясненням цьому є дифракційна взаємодія перетворювачів пристрою за рахунок багатократного перевідбиття звукових хвиль елементами системи та пов'язаний з цим перерозподіл кутових залежностей амплітуд і фаз тисків та переміщень в звукоосвітлених областях перетворювачів та областях, що знаходяться в акустичній тіні.

Взагалі, для поодиноких багатомодових перетворювачів та їх систем можно

- визначення багатомодових перетворювачів як об'єктів змінної та керуємої акустичної жорсткості;

- вплив багатомодовості на взаємодію електропружних перетворювачів по акустичному полю під час роботи у складі системи;

- вплив багатомодовості та зв'язаності на характер роботи випромінюючих систем багатомодових перетворювачів;

- формування заданих та просторово-енергетичних характеристик поодиноких багатомодових перетворювачів та їх систем.

Розрахунки показують, що у випадку збудження циліндричного перетворювача на частоті, яка не співпадає з частотами резонансів жодної з власних форм, розсіювання звуку на електропружному перетворювачі відбувається як на акустично жорсткому об'єкті. При співпадінні частоти збурення з частотою резонансу в одномодовій системі, використовуючи традиційні уявлення, можно було б прогнозувати, що розсіяння звуку мало б відбуватися як на абсолютно м`якому об'єкті. Проте, багатомодовість і зв'язаність виключають це, демонструючи формування розсіяного перетворювачем поля як пружним об'єктом. Ілюструють цю властивість діаграми рис.6 (- повне поле, - розсіяне поле).

При цьому на акустичні властивості перетворювача впливає не тільки вибір частоти, але й вид елктродування (в частині активації певних мод) та величина обраного значення електричного навантаження. Так підтверджуються положення, встановлені І.В.Сенченко та автором про набуття перетворювачем - оболонкою додаткової жорсткості при роботі в режимі холостого ходу та втрата її при роботі в режимі короткого замикання.

Такі осциляції залежать від відстані між фазовими центрами перетворювачів і, для кожної моди окремо, характеризуються певною амплітудою, фазою та періодом осциляцій. Таким чином, наявність залежності вкладень активованих мод в загальне коливання від відстані , показує необхідність обрання оптимального значення для отримання максимальних або мінімальних значень характеристик полів для бажаних мод з активованого набору. Це зберігається для всієї смуги частот та вимагає застосування своєрідного налаштування гідроакустичного засобу на необхідну моду.

На рис.9 (а) (діаграма 2) для прикладу, показана залежність напруги першої моди з врахуванням зв'язаності. Як видно, при обранні відстані мм, спостерігається мінімізація першої моди практично в 6-7 разів відносно нульової. Отже, бажані сполучення мод можуть бути активізовані та використані під час формування просторово-енергетичних характеристик систем багатомодових перетворювачів за умов обрання певної частоти, виду електродування, величини навантаження та хвильових параметрів системи.

Для режиму випромінювання звуку встановлено, що на відміну від ситуації прийому, при роботі поодинокого циліндричного випромінювача з розрізними електродами просторово-енергетичні характеристики механічних та акустичних полів визначаються сукупністю електромеханічно активованих мод.

(а) - (в) фронтальних та тилових областей перетворювачів системи від відстані між фазовими центрами елементів ,= 4,0 кГц (а) и = 8,2 кГц , (б), = 27,25 кГц , (в),

В свою чергу для циліндричного перетворювача модова структура механічних та акустичних полів визначається видом електродування, комутації та способом збудження коливань. Такої залежності для стержньового перетворювача не спостерігається, а ефективність збудження стержневих перетворювача визначається лише частотою збудження у відповідності до його АЧХ.

При цьому системи циліндричних багатомодових перетворювачів (порівняно з одномодовими) характеризуються меншим ризиком повного акустичного розвантаження внутрішніх перетворювачів та відбору ними енергії від сусідніх перетворювачів через робоче середовище.

для фронтальних та тилових областей від відстані між фазовими центрами елементів , = 8,2 кГц ,

Таким чином, цей ефект, який мав місце для одномодових коливальних систем (наприклад, роботи В.Г. Басовського, І.В. Вовка, В.Т. Гринченка, О.Г. Лейка), може бути практично виключеним шляхом використання багатомодових властивостей. Ілюструє цю ситуацію залежність дійсної частини імпедансу випромінювання від вказаної вище відстані (рис. 10) при роботі системи з не менш ніж трьох перетворювачів (=3).

(а), від відстані : діаграма 1 (=2, ), діаграма 2 (=3, ), діаграма 3 (=3, ), діаграма 4 - поодинокий циліндр (=1)

Як показано на графіках, активний складник імпедансу випромінювання систем багатомодових циліндричних випромінювачів містить області значень як більших, так і менших порівняно з імпедансом поодинокого перетворювача (діаграма 4). Діапазон змінення може сягати 20 дБ для центрального перетворювача системи для малих хвильових значень кроку системи. При цьому значення центрального елементу може бути меншим приблизно в 3 рази відносно поодинокого перетворювача, що характеризує цей елемент як найбільш розвантажений (діаграма 1). Існування такої залежності пояснюється не тільки хвильовими ефектами, що виникають за дифракційної взаємодії при утворенні двох хвиль, які рухаються від крайніх перетворювачів до центрального, але й резонансними явищами між пружністю перетворювачів системи та співколивальною масою середовища. Для системи з двох перетворювачів =2 наявною є лише одна хвиля, яка утворена елементами , або , а діаграми 2 та 3 показують ситуацію змінення навантаження крайніх елементів систем.

Вивчення просторових властивостей розглянутих багатомодових систем в розділі 6 проведено, в основному, для циліндричних п`єзоелементів, бо застосоване довгохвильове наближення, а також реальний характер рухів робочих поверхонь більшості стержньових коливальних систем виключає вплив просторових властивостей власних форм на формування характеристик направленості (ХН). Просторові властивості при цьому визначаються ХН прямокутного (квадратного) поршня (М.Д. Смаришев), або систем з них із врахуванням взаємодії по акустичному полю.

Визначення просторових властивостей відбувалося шляхом багатократного розв'язання наскрізних задач прийому та випромінювання для набору кутів (прийом) та (випромінювання) в частині визначення електричних напруг або тисків з використанням адитивних операцій та у відповідності до класичних визначень ХН (Г.С. Габідулін, Ю.Ю. Добровольський, М.Д. Смаришев, Г.М. Свердлін) в режимах прийому та випромінювання.

Дані розділу 6 в частині чисельних досліджень та аналізу отриманих результатів при розрахунках ХН багатомодових перетворювачів та їх систем показують, що для поодиноких перетворювачів багатомодовість забезпечує:

? формування ХН , які представляють просторові характеристики прийомників або випромінювачів -го порядку з метою забезпечення векторно-фазових методів та збільшення коефіцієнту концентрації без змінення геометрії та розмірів системи , відповідно, в широкому діапазоні частот;

? створення однонаправлених ХН та ХН зі збільшеною гостротою направленої дії для забезпечення зростання коефіцієнту концентрації та реалізації задач глибоководності.

В результаті показано, що використання властивостей багатомодовості незмінної за масо-габаритними характеристиками циліндричної багатоелектродної коливальної системи дозволяє не тільки досягти просторових властивостей певних форм коливань, але й збільшити коефіцієнт концентрації поодинокого перетворювача за рахунок створення сумарних ХН та відповідного набуття коливальною системою властивостей, подібних до “поміркованої наднаправленості”.

Приклади результатів розрахунків сумарних ХН наведено на рис.11. Так на рис.11 (а) наведені ХН кардіоїдного типу у випадках існуючих природних фазових зсувів між напругами, що отримані по виходах електродів для певних мод (діаграми 1) та для ситуацій усуненні існуючих фазових розбіжностей (діаграма 2). На рис.11 (б) наведено діаграми сумарних ХН з використанням нульової, першої та другої моди і з внесенням корекції амплітуди до + 6 дБ по виходах окремих каналів та виконанням операції фазування (діаграми 1, 2). Очевидно, найбільш вдалою з точки зору мінімізації бокового та тильного поля є ХН, яку отримано за одночасного регулювання амплітуди по виходах каналів першої та другої моди (діаграма 3). коливання електропружний перетворювач гідроакустичний

Ускладнюючи ситуацію та переходячи до груп перетворювачів у складі гідроакустичного пристрою, одержуємо додаткові можливості створення просторової вибірковості за рахунок використання властивостей дифракційної взаємодії та впливу на неї багатомодовості перетворювачів. Це дозволяє :

? забезпечити формування ХН, яким притаманні риси та властивості сукупності мод, шляхом вказаного вище налаштування системи та відповідне забезпечення коефіцієнту концентрації;

? сформувати ХН з низькими рівнями тильних пелюстків або бічного поля шляхом введення амплітудно-фазового розподілення для окремих електродів окремих елементів системи;

? сформувати ХН з бажаними модовими властивостями у присутності електропружного розсіювача, зміненням акустичних властивостей якого можно керувати.

Так ХН системи перетворювачів (рис. 13), яка реалізує другу моду коливань і отримана у класичний спосіб за допомогою теореми множення (діаграма 1, 1,5) та ХН розглянутої системи (діаграма 2 для тих самих відстаней) суттєво різняться в частині розкриву головних та додаткових максимумів, Діаграмою 3 представлено ХН, що відповідає другій формі коливань перетворювача системи.

Пов`язується це з активацією певного складу мод та відповідною зв'язаністю означених форм.

Рис. 13. ХН системи електро пружних пертворювачів ( ) з електродуванням виду для хвильових відстаней 0,75 та 1,0



Рис. 14. ХН ,досліджуваної ситеми “пертворювач - електропружний розсіювач” при використанні електродів “12” (а) и “11” (б) перетворювача для електродування та хвильових відстаней 0,5 (діаграми 1) та 1,0 (діаграми 2)

При цьому спостерігається максимізація рівня тильного пелюстка, що визначається ступенем жорсткості розсіювача. Безумовно, досягнення повністю синфазного додавання тисків практично неможливо в силу криволінійності поверхні перетворювача та розсіювача. Проте, вказані особливості, пов'язані з врахуванням багатомодовості наближають ідеалізовану стандартну ситуацію до реальної.

За результатами досліджень, в розділі 7 сформульовано основні технічні пропозиції щодо реалізації гідроакустичних пристроїв на основі багатомодових п`єзокерамічних перетворювачів та їх впровадження в практику побудови гідроакустичних засобів різного призначення.

Так, для забезпечення векторно-фазових методів запропоновано:

- формування на основі базової коливальної системи (яку визначено як п'єзокерамічне радіально поляризоване тонкостінне колове кільце з нанесеними на його поверхню розрізними електродами однакового розкриву) - набору прийомників - го порядку, що відповідає членам рядів-розкладень акустичного поля;

Для забезпечення максимізації коефіцієнту концентрації запропоновано застосування схем формування просторових характеристик виду:

- ХН одномодового типу;

- ХН комбінованого типу (однонаправлених та зі збільшеною гостротою направленої дії);

- ХН з пригніченням бічного поля;

- ХН з регульованими вкладами мод.

Для забезпечення задач глибоководності запропонована схема керування акустичними властивостями електропружного розсіювача при формуванні ХН з регульованими вкладами мод забортної системи глибоководних гідроакустичних пристроїв.

Сформульовані технічні пропозиції знайшли відповідну практичну реалізацію в гідроакустичних пристроях різного призначення. До них відносять авіаційні, корабельні та позиційні гідроакустичні засоби. Відповідно:

- в частині авіаційних гідроакустичних засобах результати роботи впроваджено в радіогідроакустичні буї та багатомодові прийомні та прийомо-випромінюючі системи та модулі;

- в частині корабельних гідроакустичних засобах результати роботи впроваджено в гідроакустичні станції з протяжними антенами та станції гідроакустичної охоронної сигналізації;

- в частині позційних гідроакустичних засобах результати роботи впроваджено в позиційну радіогідроакустичну станцію.

Розділ 8 присвячений перевірці відповідності використаних припущень та умов проведення розрахунків просторово-енергетичним характеристикам реальних гідроакустичних пристроїв та містить матеріали експериментальних досліджень АЧХ та ХН.

Для експериментальних досліджень було обрано багатомодовий прийомо-випромінюючий прилад 37-3, який представляє собою коловий циліндричний стовп , що утворений співвісним набором з 12 тонкостінних радіально поляризованих суцільних п'єзокерамічних кілець КЦ 7.124.202-01 з матеріалу ЦТБС-3 з габаритами 13512430 мм.