Излучение преобразователем волноводного типа в соосные с ним конусные полупространства

Введение. Современный этап развития гидроакустической техники характеризуется постоянным улучшением элементной базы и ростом вычислительных мощностей. На этом этапе при решении прикладных задач все чаще сталкиваются с ограничением ширины полосы пропускания электроакустических преобразователей и антенн. Большинство известных способов расширения полосы пропускания не обеспечивают линейность фазочастотной характеристики (ФЧХ) излучения в рабочей полосе частот, которая имеет первоочередное значение для эффективного формирования сравнительно коротких, перестраиваемых по частоте и сложных по структуре акустических сигналов. В связи с этим преимущественным является использование преобразователя волноводного типа (ПВТ), способ построения и электрического возбуждения которого обеспечивает близкую к линейной ФЧХ излучения.

Цель работы. Разработка обобщенной расчетной модели, которая включает в себя частные случаи излучения ПВТ в соосные с ним цилиндрические волноводы и в полупространства, а также учитывает влияние волн, отраженных от границ ПВТ, на его полевые характеристики.

Материалы и методы. ПВТ представлен соосным набором идентичных водозаполненных пьезоцилиндров с амплитудно-фазовым возбуждением, обеспечивающим режим широкополосного излучения по типу бегущей волны. Использование метода частичных областей позволяет решить задачу об излучении ПВТ через водозаполненные апертуры в граничащие с ними конусные полупространства с изменяемым углом раскрыва.

Результаты. Приведены и проанализированы результаты расчетов частотных характеристик звукового давления при излучении ПВТ, возбуждаемых в соответствии с решением задачи синтеза, во фронтальном и тыльном направлениях для разных углов раскрыва конусов. С использованием предложенной расчетной модели ПВТ показана возможность получения полосы пропускания порядка трех октав. Оценивается влияние толщины пассивных фланцев, которые используются для компоновки ПВТ в антеннах. Рассматривается возможность излучения в рабочей полосе частот ПВТ перестраиваемых по частоте ультракоротких однопериодных импульсов для разных углов раскрыва конусов. Дается сопоставительная оценка результатов расчета с другими частными решениями: излучение ПВТ в соосные водозаполненные волноводы, а также – в полупространства.

Заключение. Сделан вывод о целесообразности использования обобщенной расчетной модели для более точного описания акустических полей реальных макетов антенн, составленных из ПВТ.

1. Степанов Б. Г. Широкополосность преобразователей // Гидроакустическая энциклопедия / под общ. ред. В. И. Тимошенко. Таганрог: Изд-во ТГРУ, 1999. С. 696–697.

2. Sherman C. H., Butler J. L. Transducers and Arrays for Underwater Sound. New York: Springer Science+Business Media, LLC, 2007, 629 p.

3. Степанов Б. Г. Пьезоэлектрические преобразователи стержневого и пластинчатого типов с амплитудно-фазовым возбуждением. Задачи синтеза и анализа. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2019. 220 с.

4. Development Of A Wideband Underwater Transmitting Transducer with over 150 Khz Bandwidth and High Transmitting Levels using 1-3 Piezocomposite Materials / K. Nicolaides, L. Nortman, M. Y. Shatalov, J. Tapson // Proc. of the Intern. Congress on Ultrasonics, Vienna, Austria, April 9–13 2007, Paper ID 1345, Session R31: Underwater Ultrasonics.

5. Chhith S., Roh Y. Wideband Multimode Tonpilz Transducer with a Cavity Inside a Head Mass // IEEE Intern. Ultrasonics Symp. Rome, Italy, 20–23 Sept. 2009. P. 2734–2737. doi: 10.1109/ULTSYM.2009.5441915

6. On the Bandwidth of Piston Type Sonar Transducers / I. V. Gerasimova, R. P. Pavlov, V. I. Pozern, O. B. Stupak // Sonar Transducers and Numerical Modeling in Underwater Acoustics: Proc. of the Institute of Acoustic. London, England, UK. Vol. 27, no. 1, 2005. P. 63–70.

7. Pat. US 6,617,765 B1 Int.Cl.7 Н01L 41/08. Underwater Broadband Acoustic Transducer / Y. Lagler, V. Suppa, G. Raux, G. Labrano. Publ. 09/09/2003.

8. Pat. US 8,072,843 B1 Int.Cl. Н04R 17/00 (2006.01). Stepped Multiply Resonant Wideband Transducer Apparatus / J. L. Butler, A. L. Butler. Publ. 06/12/2011.

9. Pat. US 6,722,003 B2 Int.Cl.7 Н04R 17/00; Н04L 41/06. Underwater Wide-Band Electroacoustic Transducer and Packaging Method / Dunn S.-D., Yeh C.-Z., Jih J.-Y. Publ. 20/24/2004.

10. Коновалов С. И., Кузьменко А. Г. Особенности импульсных режимов работы электроакустических пьезоэлектрических преобразователей. СПб.: Политехника, 2014. 294 с.

11. Найда C. А. Возбуждение коротких ультразвуковых импульсов недемпфированным пьезоэлектрическим преобразователем // Электроника и связь. 2012. № 2. C. 35–40.

12. Желяскова Т. Н., Коржик А. В., Найда С. А. Методы возбуждения коротких акустических импульсов в пьезоэлектрическом преобразователе с согласующими слоями // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2012. № 2. С. 24–29.

13. Decreasing Pulse Duration at Receiver Output under Emitter Excitation with Complex Waveforms / B. Ch. Ee, R. S. Konovalov, S. I. Konovalov, A. G. Kuz'menko, I. Y. Oshurkov, B. M. Tsaplev // Russian J. of nondestructive testing. 2018. Vol. 54, no 1. P. 31–36. doi: 10.1134/S1061830918010035

14. Гончарский А. В., Романов С. Ю., Серeжников С. Ю. Обратные задачи формирования зондирующих импульсов в ультразвуковой томографии: модельные расчеты и эксперимент // Вычислительные методы и программирование. 2018. Т. 19, вып. 2. С. 150–157. URL: http://mi.mathnet.ru/rus/vmp/v19/i2/p150 (дата обращения 07.01.2020)

15. Мальцев Ю. В., Прокопчик С. Е. Гидроакустические волноводные антенны и перспективы их применения в технических средствах исследования океана // Подводные исследования и робототехника. 2010. Т. 10, № 2. С. 51–71. URL: https://readera.ru/14339844 (дата обращения 07.01.2020)

16. Степанов Б. Г. Сверхширокополосный гидроакустический преобразователь волноводного типа. Задача синтеза // Изв. СПб ГЭТУ "ЛЭТИ". 2013. № 3. С. 87–96.

17. Пестерев И. С., Степанов Б. Г. Исследование широкополосной гидроакустической системы, содержащей преобразователи волноводного типа // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2018. Т. 21, № 5. С. 60–70. doi: 10.32603/1993-8985-2018-21-5-60-70

18. Степанов Б. Г. Излучение одиночным преобразователем волноводного типа в полубесконечные пространства // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: тр. XII Всерос. конф., Санкт-Петербург, 27–29 мая 2014 г. / АО «Концерн "Океанприбор"». СПб., 2014. С. 360–364.

19. Грiнченко В. Т., Вовк И. В., Маципура В. Т. Основи акустики. Киïв: Наук. думка, 2007. 640 с.

20. Гринченко В. Т., Вовк И. В., Мацыпура В. Т. Волновые задачи акустики. Киев: Интерсервис, 2013. 572 с.