Исследование влияния параметров пьезоматериала на основные характеристики гидроакустических преобразователей с произвольным соотношением размеров

Актуальность проблемы.

Пьезоэлектрические материалы, пьезоэлементы и пьезоэлектрические преобразователи на их основе находят самое широкое применение в различных разделах электроакустики и ультразвуковой техники, гидроакустики и океанотехники. В последние годы наибольшее развитие получили методы акустического мониторинга глобальных процессов, происходящих в океане и атмосфере, поскольку параметры распространения звуковых волн оказались непосредственно связанными с гидроакустическими параметрами морской воды.

При организации глобального акустического мониторинга неизбежно использование низких звуковых частот в диапазоне 100-:-300 Гц., для излучения которых используются мощные пьезокерамические излучатели с большими габаритами и массой порядка нескольких тонн, специально оборудованные суда, а сами экспедиции становятся дорогостоящими и трудоёмкими.

В настоящее время успешно используются свыше десятка различных составов пьезокерамики, которая применяется для разработки гидроакустических излучателей. Однако, пьезокерамика имеет свои недостатки, связанные в основном с высокой механической жёсткостью, затрудняющей согласование с рабочей средой, большой ёмкостью, затрудняющей согласование излучателя с источником энергии, и большой плотностью.

Для устранения ряда недостатков, присущих пьезокерамическим материалам, в последние 10-И 5 лет были разработаны полимерные и композитные пьезоматериалы, свойства которых могут меняться в чрезвычайно широких пределах, влияя непосредственно на основные характеристики пьезозле—ментов такие, как резонансные частоты и коэффициенты электромеханической связи, а следовательно, на рабочие характеристики пьезопреобразовате-лей.

Основное достоинство композитной пьезокерамики заключается в том, что она обладает малой жёсткостью и малой плотностью, а следовательно, гидроакустические излучатели на её основе могут иметь существенно меньшие габариты и массу. Появляется реальная возможность разработки малогабаритных низкочастотных излучателей, носителем которых могли бы быть автономные самоходные средства типа автономных подводных аппаратов, а проблема исследования физических полей океана с их использованием приобретает новый аспект.

Большое количество параметров композитного пьезоматериала, число которых N > 16, и отсутствие простых аналитических связей между ними и основными характеристиками пьезоэлемента с произвольным соотношением размеров затрудняют общий анализ пьезопреобразователей на основе композитной пьезокерамики аналитическими методами.

Методы компьютерного анализа в сочетании с точными аналитическими либо численными оценками оказываются более гибкими и универсальными при исследовании влияния всех параметров пьезоматериала на основные характеристики пьезопреобразователей, что делает поставленную задачу достаточно актуальной.

Цель работы.

Целью работы является разработка эффективного метода оценки и исследования зависимости рабочих характеристик пьезопреобразователя с произвольным соотношением размеров от полного набора параметров пьезоматериала на основе сплошной либо композитной пьезокерамики и разработка на его основе малогабаритного низкочастотного излучателя для автономных средств океанотехники.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. На основе точных расчётов, выполненных ранее методом конечных элементов, сформирована база данных, содержащая частоты резонанса, антирезонанса, коэффициенты электромеханической связи и дифференциальные показатели изменчивости, характеризующие зависимость резонансных частот и коэффициентов электромеханической связи пьезоэлемента с произвольным соотношением размеров от каждого из десяти параметров пьезоматериала типа ЦТБС-3.

2. Разработан метод экстраполяции базовых данных для пьезоцилиндров с тангенциальной, радиальной и аксиальной поляризацией и круглых пьезо-пластин с произвольным соотношением размеров, полученных для пьезокерамики ЦТБС-3, на пьезоэлементы из пьезокерамики любого состава.

3. Выполнены численные расчёты основных характеристик пьезоцилиндров и круглых пластин с произвольным соотношением размеров для пьезокерамики типа ТБК-3, ЦТС-19, ТБКС, НБС-1.

4. Получены формулы усреднения и выполнены численные расчёты полного набора физических параметров композитного пьезоматериала на основе пьезокерамики ЦТБС-3 и акустически мягкой компоненты на основе сферо-пластика, полимера и пьезополимера.

5. Выполнены численные расчёты основных характеристик пьезоцилиндров с тангенциальной и аксиальной поляризацией и произвольным соотношением размеров из композитной пьезокерамики.

6. Выполнен численный анализ рабочих характеристик низкочастотного излучателя типа Янус — Гельмгольца с активным элементом на основе композитной пьезокерамики типа ЦТБС-З-поливинилиденфторид (Г1ВДФ).

Научная новизна.

1. Впервые выполнены расчёты резонансных частот и коэффициентов электромеханической связи для пьезоцилиндров с тангенциальной и аксиальной поляризацией и произвольным соотношением размеров на основе композитной пьезокерамики из ЦТБС-3 и акустически мягкой компоненты типа сферопластика и пьезополимера ПВДФ.

2. Впервые получены численные оценки изменения резонансных частот и коэффициентов электромеханической связи в зависимости от объёмного содержания сферопластика и пьезополимера в композитной пьезоке-рамике для пьезоцилиндров с аксиальной и тангенциальной поляризацией и произвольным соотношением размеров.

3. Численным анализом обоснована структура стержневого активного элемента на основе композитной пьезокерамики типа ЦТБС-3-пьезополимер ПВДФ, обеспечивающая понижение резонансной частоты в 3-Йраза без существенного уменьшения коэффициента электромеханической связи.

На защиту выносятся:

• Метод расчёта резонансных частот, антирезонансных частот и коэффициентов электромеханической связи пьезоэлементов типа цилиндров с тангенциальной и аксиальной поляризацией и произвольным соотношением размеров, выполненных на основе композитной пьезокерамики.

• Комбинированный метод расчёта низкочастотного гидроакустического излучателя типа Янус-Гельмгольца на основе композитной пьезокерамики с малыми габаритами и массой для автономных носителей средств океанотех-ники и гидроакустики.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность численных оценок резонансных частот и коэффициентов электромеханической связи, полученных методом линейной экстраполяции, обеспечивается их качественным и количественным соответствием базовым данным, полученным методом конечных элементов, и точным данным, полученным в контрольных точках, соответствующих либо радиальным колебаниям короткого цилиндра, либо продольным колебаниям тонкого стержня.

Наибольшее несоответствие между численными оценками, полученными методом конечных элементов и методом линейной экстраполяции, имеет место для коэффициентов электромеханической связи в области частот, соответствующих его резкому уменьшению, т. е. в области частот, не представляющих практического значения. Несоответствие между резонансными частотами существенно меньше погрешности измерения самих параметров пьезоматериала, которая составляет (5ч-10)%.

Достоверность численных оценок частотных характеристик малогабаритного излучателя типа Янус-Гельмгольца обеспечивается качественным соответствием результатам других разработок и корректностью метода расчёта в области низких частот.

Научная и практическая значимость диссертации.

В результате выполненных в диссертации исследований разработан простой, но достаточно эффективный метод линейной экстраполяции и соответствующее программное обеспечение для оценки резонансных частот и коэффициентов электромеханической связи пьезоцилиндров и круглых пластин с произвольным соотношением размеров на основе пьезоматериала произвольного состава, включая и композитную пьезокерамику. Высокая точность оценки обеспечивается использованием базовых данных и дифференциальных показателей изменчивости, предварительно вычисленных методом конечных элементов, в широком диапазоне изменения геометрических размеров пьезоэлемента, однако, затраты машинного времени на порядок меньше, чем при непосредственном использовании для оценки метода конечных элементов.

Научная значимость выполненных исследований заключается в установлении наиболее информативных параметров пьезоматериала, оказывающих существенное влияние на собственные частоты и коэффициенты связи пьезоэлемента, что особенно важно при разработке новых пьезоматериалов и особенно при разработке композитной пьезокерамики. Метод линейной экстраполяции может быть использован для проведения сравнительных оценок характеристик преобразователей, выполненных из различных пьезоматериалов, включая и композитную пьезокерамику, т. е., в конечном счёте, для целенаправленного изменения свойств пьезоматериала по некоторому критерию качества работы пьезопреобразователя.

Численные результаты, полученные в диссертационной работе, могут оказаться полезными для разработчиков пьезопреобразователей, используемых в гидроакустике и океанотехнике, а также для разработчиков новых пьезоматериалов с улучшенными параметрами и свойствами.

Обоснованный численным анализом способ построения активного элемента на основе композитной пьезокерамики ЦТБС-З-поливинилиденфторид (ПВДФ) может оказаться полезным при разработке низкочастотных гидроакустических излучателей с малыми габаритами и массой.

Работа выполнена в соответствии с планом совместных исследований ДВГТУ и ИПМТ ДВО РАН по проекту «Учебно-научный центр исследований ресурсов и мониторинга Тихого океана» Федеральной целевой программы «Интеграция».