radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-1-56-65radioelectronics-289Research ArticleПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ, ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОВОЛНMEASURING SYSTEMS AND INSTRUMENTS BASED ON ACOUSTIC, OPTICAL AND RADIO WAVESАНАЛИЗ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИANALYSIS OF ACOUSTIC PATH TRANSMISSION FACTOR FOR ANGULAR VELOCITY SENSORДуруканЯ.DurukanYa.

магистр по направлению " Приборы и методы контроля качества и диагностики" (2017), ассистент и аспирантка кафедры электроакустики и ультразвуковой техники

Master’s Degree in Devices and Methods of Quality Control and Diagnostics (2017), Postgraduate student and Assistant of Department of Electroacoustics and Ultrasound Engineering

durukanleti@gmail.comПерегудовА. Н.PeregudovA. N.

кандидат технических наук (1986), доцент (2003) кафедры электроакустики и ультразвуковой техники

Cand. of Sci. (Engineering) (1986), Associate Professor (2003) of the Department of Electroacoustics and Ultrasonic Engineering

a_peregudov@mail.ruШевелькоМ. М.ShevelkoM. M.

кандидат технических наук (1978), доцент (2003) кафедры электроакустики и ультразвуковой техники

Cand. of Sci. (Engineering) (1978), Associate Professor (2003) of the Department of Electroacoustics and Ultrasonic Engineering

MMShevelko@mail.eltech.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University "LETI"Russian Federation201928022019015674Copyright © Дурукан Я., Перегудов А.Н., Шевелько М.М., 20192019Дурукан Я., Перегудов А.Н., Шевелько М.М.Durukan Y., Peregudov A.N., Shevelko M.M.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/289

Изменение характеристик ультразвуковых волн, распространяющихся в твердых вращающихся средах, лежит в основе функционирования акустических датчиков угловой скорости. Уровень информативного сигнала зависит от коэффициента передачи акустического тракта чувствительного элемента (ЧЭ) датчика такого типа, в связи с чем актуальны работы по достижению максимального коэффициента. Акустический тракт ЧЭ на объемных волнах состоит из излучающего и приемного пластинчатых пьезопреобразователей, среды распространения (звукопровода), контактных слоев и электрической нагрузки. Он идентичен тракту ультразвуковых линий задержки. Теоретический анализ характеристик трактов такого типа широко представлен в литературе, однако анализ базируется на решении систем волновых уравнений в одномерном приближении. В этом случае расчеты выполняются без учета ограниченности поперечных размеров. На практике тракт ЧЭ должен иметь ограниченные поперечные размеры, которые могут повлиять на значение коэффициента передачи. Описания экспериментальных исследований в литературе не приводятся. Таким образом, потребовалось провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований по анализу коэффициента передачи акустического тракта датчика угловой скорости. Для теоретического анализа разработана моделирующая тракт программа в системе Mathcad. Для экспериментальных исследований создана установка и изготовлен ряд макетов с преобразователями из пьезокварца и пьезокерамики. В результате показано, что теоретические положения, разработанные для одномерного приближения, могут применяться для определения коэффициента передачи акустического тракта ограниченных размеров. Кроме того, использование согласованной электрической нагрузки позволяет увеличить коэффициент передачи. Например, для макета с преобразователями из пьезокварца Y-среза это увеличение составило 20 дБ.

The change in characteristics of ultrasonic waves’ transmittion in solid rotating media is the basis for the operation of acoustic angular velocity sensor. The transmission coefficient of the sensing element (SE) of the acoustic path deter-mines the level of angular velocity sensor informative signal based on detecting changes in characteristics of bulk acoustic waves in solid media. In this regard, the efforts aimed at obtaining maximum transmission coefficient are relevant and represent an important stage in the design of such devices. The sensitive element of the acoustic path consists of radiating and receiving plate piezoelectric transducers, propagation medium (acoustic duct), contact layers and electrical load. The coefficient is identical to the path of ultrasonic delay lines on bulk acoustic waves. Although, many sources present the theoretical analysis of the path of this type, they carry out the analysis in so-called one-dimensional approximation, i.e. they perform the analysis without taking into account the limited transverse dimensions, whereas the path of the sensing element should have limited lateral dimensions, which can affect the value of transmission coefficient. The above-mentioned sources do not present the results of experiments. Thus, it is necessary to conduct a complex of simulation and experiments to analyze the acoustic path transmission coefficient of the angular velocity sensor. Authors of the paper developed a pathmodeling program in Mathcad software to perform simulation. For implementation of the experiment, authors created the installation, as well as a number of proto-types with transducers made of piezoelectric quartz and piezoelectric ceramics. The results demonstrate that fundamental statements developed for one-dimensional approximation one can use to determine the transmission coefficient of the acoustic path with limited dimensions. Besides, the use of the matched electrical load gives the opportunity to increase the transmission coefficient. For example, in case of Y-cut piezoelectric quartz converter prototype the increase reached 20 dB.

ультразвуковые волныакустический тракткоэффициент передачидатчик угловой скоростиultrasound wavesacoustic pathtransmission factorangular velocity sensorReferencesSchoenberg M., Censor D. Elastic waves in rotating media // Quarterly of Applied Mathematics.1973. Vol. 31, № 3. P. 115–125. doi: 10.1090/qam/99708Schoenberg M., Censor D. Elastic Waves in Rotating Media. Quarterly of Applied Mathematics. 1973, vol. 31. no. 3, pp. 115–125. doi: 10.1090/qam/99708Сарапулов С. А., Улитко И. А. Влияние вращения на объемные волны в упругой среде и их использование в твердотельной гироскопии // Гироскопия и навигация. 2001. № 4. С. 64–72.Sarapulov S. A., Ulitko I. A. Rotation Influence on Body Waves in Elastic Medium and Their Use in Solid-State Gyroscopy. Giroskopiya i navigatsiya [Gyroscopy and Navigation]. 2001, no. 4, pp. 64–72. (In Russian)Destrade М., Saccomandi G. Some results on finite amplitude elastic waves propagating in rotating medium // Acta Mechanica. 2004. № 173. P. 19–31. doi: 10.1007/s00707-004-0185-xDestrade М., Saccomandi G. Some Results on Finite Amplitude Elastic Waves Propagating in Rotating Medium. Acta Mechanica. 2004, no. 173, pp. 19–31. doi: 10.1007/s00707-004-0185-xSpeed of longitude and transverse plane elastic waves in rotating and non-rotating anisotropic mediums / A. Khan, S. Islam, M. Khan, I. Siddiqui // World Applied Sciences J. 2011. Vol. 15, № 12. P. 1761–1769.Khan A., Islam S., Khan M., Siddiqui I. Speed of Longitude and Transverse Plane Elastic Waves in Rotating and Non-Rotating Anisotropic Mediums. World Applied Sciences J. 2011, vol. 15, no. 12, pp. 1761–1769.К вопросу о характеристиках волн, распространяющихся во вращающейся среде / Я. Дурукан, А. И. Лутовинов, А. Н. Перегудов, М. М. Шевелько // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2014. № 8. С. 57–61.Durukan Ya., Lutovinov A. I., Peregudov A. N., Shevel'ko M. M. On Characteristics of Waves Propagating in Rotating Medium. Izvestiya SPbGETU "LETI" [Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University]. 2014, no. 8, pp. 57–61. (In Russian)О возможности построения датчиков вращательного движения на объемных акустических волнах / Я. Дурукан, А. И. Лутовинов, А. Н. Перегудов, М. М. Шевелько // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2015. № 10. С. 69–73.Durukan Ya., Lutovinov A. I., Peregudov A. N., Shevel'ko M. M. On Designability of Rotational Motion Sensors on Bulk Acoustic Waves. Izvestiya SPbGETU "LETI" [Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University]. 2015, no. 10, pp. 69–73. (In Russian)The characteristics of acoustic wave propagation in rotating solid-state media / Ya. Durukan, A. I. Lutovinov, A. N. Peregudov, E. S. Popkova, M. M. Shevelko // A Materials of the 2018 IEEE Conf. of Rus. Young Researchers in Electrical and Electronic Engin. (ElConRus), Saint Petersburg, Jan. 29 – Febr. 1, 2018. SPb.: SPbGETU "LETI" Publ. P. 461–464. doi: 10.1109 /EIConRus.2018.8317131Durukan Y., Lutovinov A. I., Peregudov A. N., Popkova E. S., Shevelko M. M. The Characteristics of Acoustic Wave Propagation in Rotating Solid-State Media. A Materials of the 2018 IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (El-ConRus), Saint Petersburg, Jan. 29 – Febr. 1, 2018. SPb., SPbGETU "LETI" Publ., pp. 461–464. doi: 10.1109 /EIConRus.2018.8317131Домаркас В. И., Кажис Р.-И. Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Вильнюс: Минтис, 1974. 258 с.Domarkas V. I., Kazhis R.-I. Yu. Kontrol'noizmeritel'nye p'ezoelektricheskie preobrazovateli [Piezoelectric Transducers]. Vilnius, Minthis, 1974, 258 p. (In Russian)Иванов В. Е., Меркулов Л. Г., Яблоник Л. М. Исследование пьезопреобразователя ультразвукового дефектоскопа // Заводская лаборатория. 1962. № 12. С. 1459–1464.Ivanov V. E., Merkulov L. G., Yablonik L. M. Study of Ultrasonic Flaw Detector Piezo Transducer. Zavodskaya laboratoriya [Factory Laboratory]. 1962, no. 12, pp. 1459–1464. (In Russian)Меркулов Л. Г., Яблоник Л. М. Работа демпфированного пьезопреобразователя при наличии нескольких промежуточных слоев // Акустический журн. 1963. Т. 9, № 4. С. 449–459.Merkulov L. G., Yablonik L. M. Damped Piezoelectric Transducer Operation in the Presence of Several Intermediate Layers. Akusticheskii zhurnal [Acoustic magazine]. 1963, vol. 9, no. 4, pp. 449–459. (In Russian)Яковлев Л. А. О возможности построения приближенно согласованного пьезокерамического преобразователя // Изв. ЛЭТИ. 1970. Вып. 89. С. 163–167.Yakovlev L. A. On Designability of Approximately Matched Piezoceramic Transducer. Izvestiya LETI [Proceedings of Leningrad Electrotechnical Institute]. 1970, no. 89, pp. 163–167. (In Russian)Меркулов Л. Г., Федоров В. А., Яковлев Л. А. О полосе пропускания линии задержки с многократными отражениями // Изв. ЛЭТИ. 1971. Вып. 95. С. 17–22.Merkulov L. G., Fedorov V. A., Yakovlev L. A. On Delay Line Bandwidth with Multiple Reflections. Izvestiya LETI [Proceedings of Leningrad Electrotechnical Institute].1971, no. 95, pp. 17–22. (In Russian)Меркулов Л. Г., Федоров В. А., Яковлев Л. А. Влияние электрической нагрузки на полосу пропускания линии задержки с многократными отражениями // Изв. ЛЭТИ. 1972. Вып. 112. С. 43–47.Merkulov L. G., Fedorov V. A., Yakovlev L. A. Electrical Load Influence on Delay Line Bandwidth with Multiple Reflections. Izvestiya LETI [Proceedings of Leningrad Electrotechnical Institute]. 1972, no. 112, pp. 43–47. (In Russian)Яблоник Л. М. К вопросу о влиянии электрической нагрузки на работу многослойного преобразователя // Акустический журн. 1964. Т. 10, № 2. С. 234–238.Yablonik L. M. On Electrical Load Influence on Multilayer Converter Operation. Akusticheskii zhurnal [Acoustic magazine].1964, vol. 10, no. 2, pp. 234–238. (In Russian)Меркулов Л. Г., Федоров В. А., Яковлев Л. А. Работа пьезопреобразователя, нагруженного на твердую упруго-анизотропную среду // Акустический журн. 1973. Т. 19, № 1. С. 53–59.Merkulov L. G., Fedorov V. A., Yakovlev L. A. Operation of Solid Elastic-Anisotropic Medium Loaded Piezoelectric Transducer. Akusticheskii zhurnal [Acoustic magazine]. 1973, vol. 19, no. 1, pp. 53–59. (In Russian)Голубев А. С. Преобразователи ультразвуковых дефектоскопов / ЛЭТИ. Л., 1986. 80 c.Golubev A. S. Preobrazovateli ul'trazvukovykh defektoskopov [Ultrasonic Flaw Detector Transducers] / LETI, Leningrad, 1986, 80 p. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.