DEVELOPMENT OF A RECEIVING AND EMITTING SYSTEM USING A COMBINED "PIEZOCERAMIC-POLYVINYLIDENE FLUORIDE" SENSOR

В работе В.И. Короченцева «Направленные и фокусирующие антенны в объемах, ограниченных поверхностью произвольной формы»

В работе

Актуальность темы состоит в том, что перенос модели гидроакустической системы на малые масштабы позволит использовать результаты физико-математического моделирования при создании систем взаимодействия с морскими обителями.

В настоящей работе рассматривается возможность создания датчика с применением пленок полярного полимера. Дело в том, что акустический импеданс поливинилиденфторида (ПВДФ) близок к акустическому импедансу живых тканей (воды), что позволяет более точно зафиксировать отраженную волну

Цель данной работы: разработка физико-математической модели комбинированного преобразователя, в котором используются пластинки пьезокерамики в качестве излучающих элементов, а пленки ПВДФ – в качестве приемных. Пьезокерамический элемент заданного профиля изготавливается из цирконат-титаната свинца (ЦТС)

Главный математический аппарат – волновое уравнение Гельмгольца для гармонической волны:

,

где u=u(x,y,z,t) – неизвестная функция координат и времени, – оператор Лапласа. Для решения волнового уравнения используем направленные функции Грина

,

где M – точка приема сигнала с координатами x и y;

M0 – точка излучения сигнала с координатами x0 и y0;

V – коэффициент отражения от границы раздела.

Окончательное выражение направленной функции Грина можно представить в виде:

,

где

, Z_1 и Z_2- волновые сопротивления кости и мозгового вещества соответственно, d – толщина слоя 

, - интервалы углов;

- волновые числа в кости и мозговом веществе соответственно.

Рисунок 1 - Одна из рассматриваемых плоскостей

Примечание: излучатель устанавливается на поверхности головы

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.40.1

Для вывода формулы колебательной скорости волны, излученной пье-зоэлементом на изучаемый объект, воспользуемся схемой на рисунке 2

[7]

.

Рисунок 2 - Упрощенная схема преобразователя с демпфером и согласующим слоем

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.40.2

Колебательная скорость определяется по формуле:

.

Здесь , а - функция, определяемая параметрами акустических сопротивлений материалов демпфера , биологического объекта , пьезоэлемента и промежуточного слоя , а также волновыми толщинами для пьезоэлемента и для слоя. Параметры A, B и C рассчитываются по формулам

Давление, действующее на биологический объект, найдется как отношение силы, создаваемой акустической волной на БО. Сама же сила, которую создает излученная волна , вычисляется по формуле:

.

Тогда давление будет определяться, как

.

В данном случае в ультразвуковом датчике находится два пьезоэлемента: пьезокерамика в режиме излучения и пьезопленка в режиме приема. Для расчета формул электроакустического тракта такого преобразователя воспользуемся рассчитанными параметрами для обоих пьезоматериалов и подставим их в конечные выражения чувствительности, напряжения холостого хода, и коэффициента передачи электроакустического тракта, а также построим графики частотной зависимости. Ввиду того, что давление отраженной волны, создаваемой пьезокерамическим элементом в разы выше аналогичной характеристики пленки ПВДФ, а чувствительность холостого хода пленки ПВДФ выше, чем у керамики, общий коэффициент передачи электроакустического тракта растет на порядок

Электроакустические параметры ЦТС-19 и ПВДФ приведены в соответственно таблицах 1 и 2

.

Чувствительность принимающего элемента:

.

Коэффициент передачи электроакустического тракта является отношением напряжений на входе при приеме волны к напряжению на излучающем элементе:

.

Рисунок 3 - Частотная характеристика излучаемой акустической мощности пьезокерамическим элементом

Примечание: рабочая частота датчика 500 кГц

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.40.5

Рисунок 4 - Частотная характеристика чувствительности элемента из пленки ПВДФ

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.40.6

Рисунок 5 - Частотные характеристики коэффициента передачи электроакустического тракта для датчика из ПВДФ, пьезокерамики, и комбинированного датчика

Примечание: керамика излучает, полимер принимает

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.40.7

Значения коэффициентов передачи на рабочей частоте:

 – для полимера ПВДФ.

 – для пьезокерамики ЦТС-19.

 – для комбинированного датчика.

В ходе проделанной работы построены частотные характеристики коэффициента передачи электроакустического тракта для датчика из пьезокерамики, пленок полярного полимера, а также комбинированной приёмно-излучающей системы. В настоящее время в гидроакустической аппаратуре используются элементы из разных видов керамики, пьезокомпозитов, а также ПВДФ. Использование комбинированной системы лучше подходит для взаимодействия с морскими обитателями ввиду того, что акустические свойства полимера близки к таковым у биологической ткани. Это минимизирует потери и побочные эффекты при приёме отраженной волны.

Преимущество комбинированного преобразователя не вызывает сомнений. Коэффициент передачи электроакустического тракта выше в несколько раз, что существенно повысит эффективность проводимых исследований и снизит погрешность получаемых данных. Результаты физико-математического моделирования и расчётов параметров распространения акустических волн могут быть использованы при проектировании направленных гидроакустических антенн, предназначенных для работы в малых объёмах сложной формы. Недостаток метода состоит в том, что направленная функция Грина подразумевает интегрирование компоненте волнового вектора. При больших волновых числах имеет место быть накопление ошибки повышение погрешности. При дальнейшей разработке планируется модифицировать расчетные алгоритмы под большие волновые числа так, чтобы минимизировать погрешность.