Рис. 15. АЧХ : Пб. 37-3 за паралельного включення двох суміжних електродів (діаграма 1) та пб. 37-3, на нульовій моді (діаграма 2)

Вимірювання проводилися за типовими схемами і методиками РД 5.0542-86 на експериментальній базі Державного підприємства “Київський НДІ гідроприладів”.

Рис. 16. ХН виду ++ для частот: (діаграма 1); (діаграма 2)

На рис.15, 16 наведено приклади експериментальних результати вимірювань залежності від частоти методом “резонансу-антирезонансу” та характеристики направленості із застосуванням методів дальнього поля.

В результаті проведення вимірювань встановлено що за визначеної загальної похибки вимірювань, яка встановлювалась при довірчий ймовірності 0.95 та належала діапазону (-21; +23)% , зроблені під час постановки задачі припущення, умови та результати розрахунків знаходяться у відповідності з експериментальним даними.

В додатках наведено відомості щодо використання функцій включення, виведення основних коефіцієнтів та співвідношень теоретичної частини роботи, показано основні можливості комутації електродів циліндричних та стержньових перетворюваний з метою збагачення модових можливостей вказаних коливальних систем.

Для забезпечення експериментальної складової в додатках деталізовано питання постановки і проведення експериментів в частині формулювання завдань вимірювань, особливостей обрання об'єкту і засобів вимірювань та проведено розрахунки загальних похибок. Додатки також містять акти впровадження результатів дисертаційної роботи

ВИСНОВКИ

В процесі виконання дисертаційної роботи автором дисертації особисто отримані наступні наукові результати:

1. Удосконалено методи розв'язання задач стаціонарної гідроелектропружності на основі визначення, обрання та використання властивостей функцій включення електродів, які дозволяють врахувати як наявність заданої кількості електродів п'єзокерамічних перетворювачів, їх геометрію, місцезнаходження та характер включення, так і можливість впливу активованих мод на результуючі коливання. Використання сполучень властивостей функцій включення декількох електродів дає можливість оцінки впливу багатомодовості та особливостей зв'язаності мод в п`єзокерамічних перетворювачах на формування основних фізичних полів, що беруть участь в процесах взаємного перетворення акустичної та електричної енергії.

2. В результаті виконаних розрахунків та аналізу чисельних даних досліджено вплив зв'язаності мод коливань на формування основних фізичних полів п'єзокерамічних коливальних систем. При цьому показано слабкий вплив зв'язаності поздовжніх коливань в поздовжньо поляризованому стержні з електродованими торцевими поверхнями на основні характеристики вказаних фізичних полів. Для циліндричного перетворювача у вигляді амплітудних і фазових частотних характеристик акустичних, механічних та електричних полів, а також їх кутових залежностей - визначено особливості взаємовпливу сукупності мод вищих порядків на сумарні коливання поодиноких перетворювачів та їх систем в залежності від виду електродування їх поверхонь та способів електричного навантаження

3. Вперше для колових циліндричних перетворювачів показано, що багатомодовість та зв'язаність коливань надають можливість керування акустичними властивостями розглянутих електропружних об'єктів в широкі смузі частот шляхом обрання не тільки робочої частоти, але й геометрії та електричного навантаження електродів перетворювачів.

4. Вперше встановлено та фізично обґрунтовано вплив багатомодовості на дифракційну взаємодію перетворювачів системи. Показано напрямки та запропоновано методи регулювання систем перетворювачів для максимізації або мінімізації визначеної моди коливань. При цьому регулювання відбувається шляхом змінення хвильових розмірів системи та перетворювачів, виду електродування та електричного навантаження електродів, що забезпечує реалізацію просторово-енергетичних якостей обраної моди, або сукупності мод.

5. Вперше отримано кількісні дані щодо основних акустичних та механічних характеристик випромінюючих електропружних перетворювачів та їх систем при реалізації багатомодовості. Визначено необхідність використання багатомодовості для зниження можливості акустичного розвантаження перетворювачів систем випромінювання та відбирання ними енергії від сусідніх перетворювачів, що дозволить підвищити ефективність випромінюючого пристрою вцілому.

6. Автором отримані теоретично та підтверджені експериментально аплітудно-частотні і просторові характеристики багатомодових перетворювачів, що дозволяють вважати електропружні перетворювачі такими, що забезпечують можливість:

- формування характеристик направленості, які відбивають просторові властивості одномодових випромінювачів та прийомників визначеного порядку;

- формування характеристик направленості, які відбивають просторові властивості багатомодових випромінювачів та прийомників (у тому числі і комбінованого типу);

- максимізації коефіцієнту концентрації за рахунок створення просторових характеристик зі збільшеною гостротою направленої дії з використанням багатомодовості;

- утворення просторової вибірковості багатомодових перетворювачів за рахунок використання акустичного екрану у вигляді електропружного розсіювача зі змінними акустичними властивостями.

7. На основі результатів теоретичних досліджень дисертаційної роботи сформульовані технічні пропозиції в частині :

- обрання за базову єдину коливальну систему - суцільного колового циліндричного п'єзокерамічного кільця з розрізними електродами;

- компоновки схем побудови прийомних трактів для отримання просторових характеристик, які відбивають властивості багатомодовості;

- реалізації задач максимізації коефіцієнту концентрації шляхом внесення амплітудного розподілення чутливості по-електродно для обраної базової коливальної системи;

- виконання трактів регулювання акустичних властивостей електропружних перетворювачів у вигляді систем змінення електричних навантажень електродів для забезпечення збільшення робочих глибин.

8. В роботі показано відповідність теоретичних результатів експериментальним даним та продемонстровано конкретні приклади впровадження результатів та технічних пропозицій.

Таким чином, в сукупності, наведені принципово нові наукові результати складають теоретичні основи розрахунку характеристик електропружних багатомодових перетворювачів та утворених ними систем, що забезпечує створення необхідної аналітичної бази та визначає основні фізичні засади розробки гідроакустичних засобів різного призначення на основі багатомодових перетворювачів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Коржик А.В. Об одном подходе к определению акустического поля, создаваемого элементом сетчатой потокозащитной оболочки гидроакустической антенны радиогидроакустического буя/ Коржик А.В. // Судостроит. промышленость. Сер. Акустика. -1988. -№.28. -С.28-35.

2. Коржик А.В. Прием звуковых волн системой пьезокерамических преобразователей, расположенных в кольцевых слоях/ Коржик А.В., Лейко А.Г. // Судостр. промышл. сер. Акустика. -1990. -№38. -С. 20-27. Здобувачем виконано постановку задачі та представлено її рішення в загальному вигляді.

3. Коржик О.В. Взаємодія плоскої акустичної хвилі з лінійною решіткою електропружних циліндричних перетворювачів/ Коржик О.В., Лейко О.Г. // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. -2001. -№4. -С.106-114.

4. Коржик О.В. Дослідження акустичних характеристик одиночного п'єзокерамічного циліндричного перетворювача при розв'язанні задачі прийому в наскрізній постановці/ Коржик О.В., Лейко О.Г. // Наукові вісті НТУУ “КПІ”.-2002. -№5. -С.105-113. Здобувачем виконано розв'язання та аналіз основних закономірностей розв` язку

5. Коржик О.В. До питання дифракції плоскої акустичної хвилі на електропружному циліндричному прийомному перетворювачі/ Коржик О.В., Лейко О.Г. // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. -2004. -№6. -С.83-89. Здобувачем виконано розв'язання та аналіз основних закономірностей розв` язку

6. Коржик О.В. Формування характеристик напрямленості одиночного приймального електропружного циліндричного перетворювача з розрізними електродами/ Коржик О.В., Лейко О.Г. // Наукові вісті НТУУ “КПІ”.-2005. -№1. - С. 50-55. Здобувачем виконано розв'язання та аналіз основних закономірностей розв` язку.

7. Коржик О.В. Врахування кабельного тракту при розв'язанні задач прийому звукових хвиль п`езокерамічними циліндричними перетворювачам/ Коржик О.В., Шелепенко Ю.В., Радченко М.М. //Збірник наукових праць Військового інституту телекомунікацій та інформатизації НТУУ “Київський політехнічний інститут” . Вип. № 2. -К.:ВІТІ НТУУ “КПІ”, 2007.- С.58 - 67.

8. Коржик О.В. Врахування кабельного тракту при розв'язанні задач прийому звукових хвиль системами багатомодових п'єзокерамічних циліндричних перетворювачів/ Коржик О.В., Лейко О.Г. // Электроника и связь. - 2007. - № 3. - С. 54-62.

9. Коржик А.В. Метод определения акустических характеристик материалов по реакции на возбудитель в волноводах, заполненных водой/ Коржик А.В., Коржик В.Е. //Акустичний вісник. -2007. -Т. 10, № 4. -С.52-58.

10. Коржик А.В. Одноточечный метод определения характеристик акустических материалов в волноводах/ Коржик А.В., Коржик В.Е. //Акустичний вісник. -2008. -Т. 11, № 1. -С.28-31.

11. Коржик. А.В. Формирование характеристик направленности антенны, сосотоящей из двух электроупругих элементов/ Коржик. А.В. // Электроника и связь. - 2009. - № 1. - С. 45-53.

12. Коржик А.В. Излучение звуковых волн секционированным цилиндрическим пьезопреобразователем, подключенным к длинной линии/ Коржик А.В., Солтановский Ю.И. // Электроника и связь. - 2009. - № 6. - С. 41-47.

13. Коржик А.В. Амплитудно-частотные характеристики некоторых форм колебаний пьезокерамических цилиндрических приемников звука при различных видах электродирования в условиях связанности/ Коржик А.В. // Акустичний вісник. -2009. -Т.12, -№ 3. - C. 33-40.

14. Коржик А.В. Фазо-частотные характеристики некоторых форм колебаний пьезокерамических цилиндрических приемников звука при различных видах электродирования в условиях связанности/ Коржик А.В. // Акустичний вісник. - 2009. -Т. 12. -№ 4. - C. 29-33.

15. Коржик О.В. Випромінювання звукових хвиль системою циліндричних перетворювачів, що підключені до довгої лінії/ Коржик О.В., Лесечко М.І. // Электроника и связь. - 2010. - № 1. - С. 54-62.

16. Коржик А.В. Об особенностях электромеханических преобразований в приемных пьезокерамических преобразователях с разрезными электродами/ Коржик А.В. // Электроника и связь. -2010. - №2. - С. -224-230.

17. Коржик. А.В. Применение метода “сквозной задачи” к исследованию амплитудно-частотных зависимостей характеристик акустического поля приемного цилиндрического пьезокерамического преобразователя с разрезными электродами/ Коржик. А.В. // Электроника и связь. - 2010. - № 3. - С. 160-166.

18. Коржик. А.В. Применение метода “сквозной задачи” к исследованию амплитудно-частотных зависимостей характеристик механического поля приемного цилиндрического пьезокерамического преобразователя с разрезными/ Коржик. А.В. // Электроника и связь. - 2010. - № 4. - С. 155-159.

19. Коржик. А.В. Амплитудные и фазовые частотные характеристики электрических напряжений на загрузках электродов пьезокерамических приемников звука при различных видах электродирования в условиях связанности/ Коржик. А.В. // Электроника и связь. - 2010. - № 5. - С. 192-196.

20. Коржик А.В. Один из методов решения задачи стационарной гидроэлектроупругости для режима излучения звуковых волн антенными решетками, образованными системами стержневых преобразователей/ Коржик А.В // Інформаційні системи, механіка та керування. -2010. - №. 5. -С. 61- 74.

21. Коржик А.В. Исследование закономерностей акустического взаимодействия элементов антенных решеток, образованных электроупругими цилиндрическими преобразователями/ Коржик А.В. // Системи обробки інформації. - Х.: ХУ ПС, 2010 . -Вип. 5(86). -С. 59-66.

22. Коржик А.В. Применение метода “сквозной задачи” к определению особенностей формирования электрических сигналов на нагрузках электродов электроупругих цилиндрических преобразователей/ Коржик А.В. // Збірник наукових праць харківського університету Повітряних сил. - Х.: ХУ ПС, 2010 . -Вип. 5(25). -С. 72-77.

23. Коржик А.В. Пространственная избирательность многомодовых электроупругих цилиндрических систем/ Коржик А.В. // Электроника и связь. - 2010. - № 6. - С. 43-51.

24. Пат.10193 Україна, ДДІВ, Акустичний пристрій для відлякуванні птахів/ Коржик О.В., Дідковський В.С., Тонкаль І.В.; заявник НТУУ “КПІ”; Заявл. 03.03. 2005; Опубл. 15.11.2005 р. Бюл. № 11.

25. Коржик А.В. Метод сквозной задачи и его применение к моделированию антенных решеток пьезокерамических преобразователей / Коржик А.В. , Лейко А.Г.// Тезисы докладов Украинской конференции “МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ”. - Киев, 1995. - С.67.

26. Коржик А.В. Исследование формирования характеристик направленности приемных плоских антенних решеток, состоящих из цилиндрических электроупругих преобразователей/ Бокий Н.А., Коржик А.В. , Лейко А.Г. // Тезисы докладов международной конференции “DYNAMICAL SYSTEM MODELLING AND STABILITY INVESTIGATION”. - Киев, 2001. - С. 293.

27. Коржик А.В. Исследование акустических и механических полей приемного гидроєлектроупругого преобразователя при дифракции плоской звуковой волны/ Коржик А.В. // Тезисы докладов международной конференции “DYNAMICAL SYSTEM MODELLING AND STABILITY INVESTIGATION”.- Киев, 2001.-С. 297.

28. Коржик А.В. Сверхнаправленность и ее реализация многомодовыми пьезокерамическими преобразователями/ Коржик А.В. // Тези доповідей акустичного симпозіуму “КОНСОНАНС - 2009”. - Київ, 2009. - С. 35.

АНОТАЦІЇ

Коржик О.В. Гідроакустичні пристрої на основі багатмодових п`єзокерамічних перетворювачів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук по спеціальності 05.09.08 - Прикладна акустика та звукотехніка. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2011.

Дисертація присвячена створенню теоретичних основ розрахунку та проектування гідроакустичних пристроїв з використанням багатомодових перетворювачів, а також визначенню технічних шляхів побудови таких пристроїв.

В дисертаційній роботі створено теоретичні методи розрахунку та визначені фізичні процеси зв'язаності коливань в багатомодових перетворювачах. Досліджено найбільш широко застосовані типи електропружних циліндричних та стержньових тіл, які є основою відповідних акустичних перетворювачів гідроакустичних пристроїв різного призначення. Для вказаних електропружних об'єктів розв`язано задачі гідроелектропружності з використанням “функцій включення електродів”.

В результаті чисельних досліджень визначено вплив зв'язаності та багатомодовості на дифракційну взаємодію прийомних та випромінюючих перетворювачів. Аналіз теоретичних результатів та їх фізична інтерпретація забезпечили формулювання пропозицій щодо технічної реалізації гідроакустичних пристроїв з використанням багатомодових перетворювачів і систем.

Отримані теоретичні результати експериментально підтверджено відповідно до даних вимірювань імпедансних та просторових характеристик.

Ключові слова : акустичне поле, акустичне навантаження, багатомодовий перетворювач, гідроакустичні пристрої, дифракційна взаємодія, зв'язаність коливань, поодинокі перетворювачі та їх системи.

Коржик А.В. Гидроакустические устройства на основе многомодовых пьезокерамических преобразователей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.08 - Прикладная акустика и звукотехника. - Национальный технический університет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2011.

Диссертация посвящена созданию теоретических основ расчета и проектирования гидроакустических устройств с использованием многомодовых преобразователей, а также определению технических путей их построения.

В диссертационной работе созданы теоретические методы расчета и определены физические процессы связанности колебаний в многомодовых преобразователях. Исследованы наиболее широко применяемые типы электроупругих цилиндрических и стержневих тел, которые являються основой сооветствующих акустикеских преобразователей гидроакустических устройств различного назначения.

Для указанных типов электроупругих объектов решены задачи стационарной гидроэлектроупругости с использованием “функций включения электродов”, которые позволяют учесть как наличие заданного числа электродов пьезокерамических преобразователей, их геометрию и характер включения, так и возможности влияния активированных мод на результирующие колебания. Решение указанных задач обеспечено разработкой аналитических соотношений и определением с их помощью закономерностей участия мод колебаний в формировании физических полей многомодовых преобразователей и систем, а также методов управления физическими полями многомодовых преобразователей.

Расчеты проводились для типовых пьезокерамических колец и стержней, используемых в цилиндрических и стержневых преобразователях, выполненных из пьезокерамического материала ЦТБС-3. Цилиндрический преобразователь имеет диаметр м и толщину стенки м. На внешнюю и внутреннюю поверхность цилиндрического кольца нанесены электроды опредленного углового раскрыва , каждый из которых нагружен на отдельное электрическое сопротивление через автономный кабельный тракт. В качестве стержневого преобразователя выбран прямоугольный брус с размерами: длина =100 мм, толщина =15 мм, ширина =15 мм. Электроды нанесены на торцевые грани и через автномные кабельные тракты подключены к отдельным активным электрическим сопротивлениям

Условия проведения вычилений бесконечных систем линейных алгебраических уравнений, соответствуют традиционно используемым в задачах волновой гидроакустики, количество членов рядов - розложений составляло 11, что обеспечило сходимость - не хуже 1%.

В результате выполнения численных исследований определено влияние связанности и многомодовости на дифракционное взаимодействие приемных и излучающих преобразователей, условия электрического нагружения отдельных элементов излучающих систем и особенности формирования пространственной избирательности электроупругих преобразующих систем. Полученные результаты обеспечивают возможность комплексного решения современных проблем гидроакустики - технической реализации векторно-фазовых методов, максимизации коэффициента концентрации при заданных габаритах систем преобразователей и создания глубоководных гидроакустических устройств. При этом численно исследовались такие характеристики взаимодействующих физических полей как: акустические давления (полное поле, рассеяное поле), нормальная составляющая механических перемещений и полные механические пермещения точек поверхностей оболочек преобразователей, электрические напряжения на нагрузках электродов.

Для проверки правильности сделаных на этапе постановки задач предположений и допущений, а также условий проведения расчетов - в работе представлены результаты экспериментальных исследований. Так, в результате использования импедансных методов и методов дальнего поля измерены частотные характеристики типовых многомодовых преобразователей, а также характеристики направленности для различных ситуаций электромеханической активации модовых наборов.

Анализ теоретических результатов и их физическая интерпретация обеспечили возможность формулировки предложений попределению путей построения и технической реализации гидроакустических устройств с использованием многомодовых преобразователей и систем.

Для обеспечения векторно-фазових методов предложено формирование на основе базовой колебательной системы (в виде пьезокерамического радиально поляризованого тонкостенного кругового кольца с нанесенными на его поверхность разрезными электродами одинакового раскрыва) - набора приемников - го порядка, которые соответствуют членам рядов - разложений для акустического поля;

Для обеспечения макксимизации коэффициента концентрации предложено использование схем формирования пространственнных характеристик вида:

- ХН одномодового типа;

- ХН комбинированного типа (однонаправленные и с повышенной остротой направленного действия);

- ХН с подавленим бокового поля;

- ХН с регулируемыми вкладами мод.

Для обеспечения задач глубоководности предложена схема управления акустическими свойствами электроупругого рассеивателя при формировании ХН с регулируемыми вкладами мод забортной системы глубоководных гидроакустических устройств.

Ключевые слова : акустическое поле, акустическое нагружение, дифракционное взаимодействие, многомодовый преобразователь, связанность колебаний, одиночные преобразователи и их системы, гидроакустические устройства.

Korzhyk A.V. Hydroacoustic devices on the basis of polymodal piezoceramics transformers. - Manuscript.

Thesis of the Doctor of Technical Science degree in speciality 05.09.08 - Applied Acoustics and Sound Technics. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2011.

Dissertation is sanctified to creation of theoretical bases of calculation and planning of hydroacoustic devices with the use of polymodal transformers.

In dissertation work the theoretical methods of calculation are created and the physical processes of tie-up of vibrations are certain in polymodal transformers.

For the indicated types of electro-resilient objects the stationary hydroelectroelastics tasks are decided with the use of "functions of including of electrodes", which allow to take into account as a presence of the set number of electrodes of piezoceramics transformers, their geometry and character of including, so possibilities of influence of the activated fashions on resulting vibrations.

As a result of implementation of numeral researches influence of tie-up and polymodal is certain on diffraction co-operation of receiving and radiative transformers, terms of electric ladening of separate elements of the radiative systems and feature of forming of spatial electoralness of the electro-resilient transforming systems.

The analysis of theoretical results and their physical interpretation provided possibility of formulation of suggestions on technical realization of hydroacoustics devices with the use of polymodal transformers and systems.

Keywords: acoustic field, acoustic , deep system, diffraction co-operation, acoustic interaction, polymodal transformer, single transformers and their systems, hydroacoustic devices.

Размещено на Allbest.ru