CC BY
116РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
3
ВОЛНОВОДНЫЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ НА ОСНОВЕ АНТИСИММЕТРИЧНОЙ ВОЛНЫ ЛЭМБА НУЛЕВОГО ПОРЯДКА
Кузнецова И. Е., Зайцев Б. Д., Бородина И. А., 1Колесов В. В., 1Скнаря А. В., 1Петрова Н. Г., 2Носов А. В.
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова, Саратовский филиал, Российская академия наук,
http://www.soire.renet. ru
410019 Саратов, Российская Федерация
^Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова, Российская академия наук, http://www.cplire.ru 125009 Москва, Российская Федерация
2Институт Океанологии им. П.П. Ширшова, Российская академия наук, http://www.ocean.ru 117997 Москва, Российская Федерация Поступила в редакцию 25.11.2011
В работе предложено использовать в качестве гидроакустического волноводного излучателя объемной акустической волны в жидкость пьезоэлектрическую пластину, поддерживающую распространение антисимметричной волны Лэмба нулевого порядка (А0). Проведено теоретическое и экспериментальное исследование диаграммы направленности такого излучателя в полосе частот 89-107 кГц. Обнаружено, что существует возможность реализации углового сканирования акустическим лучом путем изменения частоты А0 волны. Показано, что такой способ немеханического сканирования может быть реализован в простом устройстве, в отличие от сложных излучающих систем типа фазированных антенных решеток. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с теоретическими данными.
Ключевые слова: гидроакустика, пьезоэлектрические пластины, волна Лэмба, диаграмма направленности, управление углом излучения
УДК 534.2
Содержание
1. Введение (3).
2. Теоретический анализ (4).
3. Экспериментальные результаты и обсуждение
(5).
4. Заключение (8).
Литература (8).
1. ВВЕДЕНИЕ
Как известно [1, 2], для излучения и приема акустических сигналов в водной среде используется гидроакустическая аппаратура, центральным узлом которой является электроакустический преобразователь электрической энергии в механическую и наоборот, который может быть пьезоэлектрическим, магнитострик-ционным, электродинамическим и т.д. в зависимости от способа преобразования энергии. Наибольшее применение в современной акустической практике находят пьезокерамические преобразовате-ли,
в качестве активного элемента которых используются пьезоэлектрические резонаторы на продольных объемных акустических волнах (ОАВ) различной формы — излучатели/ приемники ультразвука средних и высоких частот 10-5—10-9 Гц. Основной их особенностью является использование двух электродов, один из которых наносится на внешнюю излучающую сторону резонатора. К недостаткам вышеуказанных устройств можно отнести необходимость изоляции внешнего электрода от жидкости, одночастотный характер работы, необходимость использования согласующих слоев для повышения эффективности излучения ультразвука в жидкость, узкую полосу пропускания и большое подводимое электрическоенапряжение. Следуеттакже отметить, что, например, для измерения скорости жидкости излучение ультразвука должно происходить под углом к потоку и при использовании для этих
РЭНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2
4 КУЗНЕЦОВА И.Е., ЗАЙЦЕВ Б.Д., БОРОДИНА И.А.,
КОЛЕСОВ В.В., СКНАРЯ А.В., ПЕТРОВА Н.Г., НОСОВ А.В.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
целей резонаторов на ОАВ возникают проблемы с их установкой в каналах и трубах [3]. Это связано с тем, что резонатор на ОАВ излучает ультразвук перпендикулярно своей плоскости.
Как известно, существуют также волноводные излучатели/приемники, основанные на
использовании цилиндрических волн
[4], поверхностных волн Рэлея [3, 5] и
антисимметричных волн лэмба нулевого порядка (А0) [6], распространяющихся в
пьезоэлектрических пластинах. Эти устройства не требуют использования согласующих слоев, поскольку волновой вектор волны в жидкости направлен под некоторым углом к волновому вектору бегущей волноводной моды. Особый интерес представляют собой излучатели/ приемники на ультразвуковых А0 волнах лэмба в пластинах. Во-первых, излучающая сторона таких устройств свободна от возбуждающей электродной структуры, что существенно облегчает их гидроизоляцию. Во-вторых, эта волна при прочих равных условиях обладает наибольшей эффективностью, поскольку ее максимальная компонента механического смещения всегда нормальна к поверхности пластины и ее распространение в контакте с жидкостью может сопровождаться большим затуханием, связанным с интенсивным излучением объемной акустической волны в жидкость. При этом фазовая скорость V волны в структуре «пластина—жидкость», должна быть больше, чем скорость ОАВ в жидкости Vq. Если же наблюдается противоположная ситуация V' > V, то затухание волны, связанное с излучением в жидкость, полностью отсутствует. Известны работы, в которых этот факт экспериментально подтвержден [7, 8]. Существуют также работы, в которых приводится описание методики расчета указанных волн как для случая контакта пластины с жидкостью только с одной стороны, так и для случая контакта с обеих сторон [7]. Таким образом, характеристики указанных
волн, распространяющихся в пьезопластинах, граничащих с жидкостью, достаточно хорошо изучены. Однако в литературе отсутствуют данные относительно диаграммы направленности подобных излучателей в жидкость. В связи с этим данная работа посвящена исследованию диаграммы направленности излучателя на А0 волне, распространяющейся в пластине из пьезокерамики на основе цирконат-титаната свинца (ЦТС или PZT) — ЦТС-19.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
С целью выбора оптимальных характеристик излучателя было проведено теоретическое исследование распространения А0 волн в структуре «пластина пьезокерамики—вода». На рис. 1 представлена геометрия рассматриваемой задачи.
Волна распространяется вдоль оси x пьезоэлектрической пластины, ограниченной плоскостями z = 0 и z = h. В областях z > 0 и z < h расположены жидкость и вакуум, соответственно. Рассматривается двумерная задача, и в этом случае все механические и электрические переменные считаются постоянными в направлении оси у. Для решения данной задачи использовались уравнение движения, уравнение лапласа и материальные уравнения для пьезоэлектрической среды и непроводящей, невязкой и идеальной упругой жидкости [7, 9, 11]. За пределами
пластины в области z < h электрическая индукция должна удовлетворять уравнению Лапласа. Также записывались граничные условия для границы между пластиной и вакуумом (z = h)
T = 0, Ф"* = Ф, D\ac = D3 (1)
и между пластиной и невязкой, непроводящей и
Таблица 1
Материальные постоянные пьезокерамики ЦТС-19, использованные в расчетах.
р, кг/м3 C ii - C 12 ’ C 13’ C 3 3’ C 44 ’ C 66 - e 1 5 ’ e 3 1’ e 3 3’ e 2 4 ’ £11/ £0 £33/ £0
ГПа ГПа ГПа ГПа ГПа ГПа кул/м2 кул/м2 кул/м2 кул/м2
7300 119 45 55 124 24 37 10.1 11.15 31.26 10.31 1423 1502
Примечание: здесь р — плотность материала пластины; c , с , .., — модули упругости (ГПа), е, е, .., — пьезоэлектрические постоянные (кулон/м2); е/е0 — относительная диэлектрическая проницаемость.
2 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЭНСИТ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
ВОЛНОВОДНЫЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ 5 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
Рис. 2. Зависимости скорости (а) и затухания (б) А0-волны в структуре «пластина пьезокерамики ЦТС-19-вода»
от параметра hf.
идеально упругой жидкостью (z = 0) [7, 12]:
и3 = и<, T<< = Т<<, T = Т2< = о,
фlg =ф, D< = D<. (2)
здесь индексы vac и lq означают принадлежность переменной к вакууму и жидкости, соответственно. указанная выше граничная задача решалась методом, описанным в [7, 13].
В результате были определены фазовая скорость А0 волны и амплитуды всех электрических и механических переменных в зависимости от координаты z Материальные постоянные для ЦТС-19, использованные в расчетах, приведены в таблице 1 [14].
На рис. 2 представлены зависимости скорости (а) и затухания (б) А0 волны в структуре «пластина пьезокерамики-вода» от параметра hf (h — толщина пластины, f — частота волны).
Видно, что при V = V ^ зависимость скорости волны от параметра hfиспытывает незначительный скачок, а при V < V ^ затухание, связанное с излучением объемной волны в жидкость, исчезает.
На основании полученных данных было выбрано оптимальное значение параметра hf = 800 м/с, которое характеризуется достаточно интенсивным излучением ОАВ в водную среду. При рабочей частоте излучателя ~100 кГц это соответствует толщине пластины 8 мм. Указанные параметры позволили также найти геометрические размеры встречно-штыревого преобразователя
Таблица 2
Параметры А0 волны в структуре «пластина
пьезокерамики-вода»
f, кГц hf, м/с V, м/с Г, дБ/Л а, град.
80 640 1551.6 2.3 14.6
90 720 1585.8 2.0 18.7
100 800 1618.6 1.7 21.9
110 880 1649.3 1.5 24.4
120 960 1677.2 1.3 26.4
140 1120 1724.3 1.1 29.4
160 1280 1761.9 0.9 31.5
Рис. 3. Макет излучателя объемной волны в жидкости. (ВШП) для возбуждения А0 волны.
В таблице 2 приведены значения угла излучения ОАВ в жидкость а при различных частотах А0 волны для толщины пластины 8 мм, рассчитанные по формуле
arccosa = V q/V. (3)
Видно, что изменение частоты на 50% приводит к пространственному изменению угла излучения на 53%. При этом радиационное затухание меняется от 2.3 до 0.9 дБ/Х,. Таким образом, полученные результаты показывают, что изменяя рабочую частоту гидроакустического излучателя, можно в некоторых пределах осуществлять управление волновым вектором излученной волны.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для проведения экспериментов был изготовлен макет излучателя ОАВ в жидкость, который представлял собой пластину из пьезокерамики ЦТС-19 с геометрическими размерами 75x50x8 мм3 с нанесенным на одну из ее сторон методом фотолитографии ВШП, состоящем из 9 штырей (рис. 3).
Ширина каждого штыря и зазора между ними составляла 4 мм, апертура была равна 40 мм. Излучающее устройство помещалось в герметичный пластиковый корпус. В результате габаритный размер устройства составлял величину 95x67x30 мм3.
На рис. 4 представлена схема эксперимента.
РЭНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2
6 КУЗНЕЦОВА И.Е., ЗАЙЦЕВ Б.Д., БОРОДИНА И.А.,
КОЛЕСОВ В.В., СКНАРЯ А.В., ПЕТРОВА Н.Г., НОСОВ А.В.
Измерения проводились в гидроакустическом бассейне с отстоенной водой на глубине 50 см. уровень воды, ширина (A) и длина (B) бассейна составляли 102 см, 102 см и 300 см, соответственно.
Излучались импульсы длительностью 0.25 мс при времени пробега акустического сигнала от излучателя до гидрофона 0.25, 0.42 и 1.0 мс для расстояний R = 50, 65 и 150 см, соответственно. Время пробега прямого луча и отраженного луча от дна и стенок бассейна, и поверхности воды составляло 0.75 мс и 0.33 мс, соответственно. Расстояние от антенны до ближайшей стороны бассейна A составляло 75 см, что полностью исключало наложение прямого и отраженного сигналов. С помощью измерительного
гидрофона было проведено исследование
диаграммы направленности пьезокерамического излучателя путем измерения распределения амплитуды акустической волны в плоскости перпендикулярной поверхности пластины R = 50, 65 и 150 см (рис. 4).
На рис. 5 приведена электрическая блок-схема измерительной установки.
Частота акустической волны задавалась
стандартным генератором сигналов. Выходной
сигнал генератора подавался на стробирующую систему B&K Type 4440, которая формировала периодическую последовательность импульсов с регулируемой продолжительностью (от 0.1 мс) с заданным периодом повторения (от 70 мс). Выходной сигнал стробирующей системы подавался на усилитель мощности B&K Type 2713. Далее усиленный сигнал следовал на исследуемый гидроакустический излучатель. усилитель мощности имел дополнительный разъем для контроля формы и амплитуды выходного мощного сигнала. Этот сигнал использовался для синхронизации осциллоскопа INSTEK GDS-820C.
Рис.5. Электрическая блок-схема измерительной установки.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
запуск развертки осциллоскопа осуществлялся нарастающим фронтом синхросигнала, поступающим в канал №1 осциллоскопа. Сигнал с гидрофона подавался соответственно на канал №2 осциллоскопа.
В качестве приемника использовался измерительный гидрофон фирмы B&K type 8105 (без предварительного усилителя). Гидрофон обладал чувствительностью 0.42 пКл/Па, плоской частотной характеристикой в диапазоне частот 0.1 Гц—160 кГц и изотропной диаграммой направленности. Чувствительным элементом гидрофона являлась пьезокерамическая сфера диаметром 15 мм.
Измерение диаграммы направленности исследуемого излучателя проводилось в диапазоне частот f = 89-109 кГц. Для примера, на рис. 6 приведены угловые зависимости диаграммы направленности при различных расстояниях от гидрофона до излучателя d: а - 50 см, б — 65 см, в — 150 см и различных частотах: 1 — 89 kHz, 2 — 93 kHz , 3 - 96 kHz , 4 - 98 kHz , 5 - 101 kHz , 6 - 104 kHz , 7 - 105 kHz , 8 - 107 kHz. Как уже говорилось, при значении угла ф = 00 поверхность излучателя располагалась перпендикулярно направлению на гидрофон. Измерения проводились с шагом 10.
Из рис. 6 видно, что при удалении гидрофона от излучателя, интенсивность паразитных лепестков, расположенных между главными лепестками, уменьшается и при расстояниях порядка больше 65 см они становятся существенно меньше. Это связано с тем, что дальняя зона излучателя, там, где формируется диаграмма направленности, начинается с расстояния R ~ 75 см (2D2/1, где D = 75 мм - длина преобразователя в направлении распространения А0 волны, 1 15 мм - длина объемной акустической волны в жидкости) [15]. Присутствие двух главных лепестков свидетельствует о том, что ВШП излучает антисимметричную волну Лэмба в обоих направлениях. Рис. 6 показывает, что максимальное излучение акустической волны происходит под углами ±260 относительно плоскости антенны для левого и правого лепестков. Некоторая асимметричность главных лепестков связана с несимметричным расположением ВШП на поверхности пластины. Смещение ВШП относительно центра пластины составляло величину ~6 мм. Полученные значения углов максимального излучения хорошо соответствуют
2 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЭНСИТ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
ВОЛНОВОДНЫЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ 7 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
Рис.6. Экспериментальные угловые зависимости диаграммы направленности излучателя из ЦТС-19 приразличных расстояниях от гидрофона до излучателя R = 50 см, 65 см, 150 см и различных частотах f = 93 кГц, 96 кГц, 100 кГц, 104 кГц.
расчетному значению 220 при скорости Ag волны Лэмба (—1618 м/с), толщине пластины (8 мм) и частоте (100 кГц) (табл. 2).
Следует отметить, что при необходимости можно удалить один из лепестков диаграммы направленности и получить однонаправленный излучатель. Для этого необходимо обеспечить режим бегущей А0 волны в пластине путем использования однонаправленного ВШП [16] и демпфера для отраженной от торца пьезопластины волны.
Оценим теперь диаграмму направленности исследуемого излучателя на простейшей модели. Как уже говорилось выше, ВШП излучает А0 волну в обоих направлениях пластины. Смещения частиц пластины в этом случае могут быть записаны в следующем
виде:
N
U(х, t) = ^ Ui exp(irn(t - sgn(x - xi)x / V)), (4)
i=1
где U - смещение частиц поверхности в направлении оси z x - координата, t - время, N - количество зазоров между штырями ВШП, x -положение середины каждого зазора, со - частота А0. Будем считать, что амплитуда колебаний в каждом -м зазоре не зависит от координаты x и одинакова для всех зазоров, т.е. амплитуда U. = const.
^ = xidt + 2ididt - didt /2, (5)
где хш — координата начала ВШП, - ширина каждого штыря и зазора между ними, -номер зазора.
РЭНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2
8 КУЗНЕЦОВА И.Е., ЗАЙЦЕВ Б.Д., БОРОДИНА И.А.,
КОЛЕСОВ В.В., СКНАРЯ А.В., ПЕТРОВА Н.Г., НОСОВ А.В.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
Рис.7. Теоретические угловые зависимости диаграммы направленности излучателя из ЦТС-19 при различных расстояниях от гидрофона до излучателя R = 50 см, 65 см, 150 см на частоте f = 100 кГц.
Результирующая волна в произвольной точке водной среды с координатами (x, У0, Z) определяется как сумма волн, создаваемых элементарными излучателями (4) [17]:
U ( Хо> Ус> V1) =
л2 -У 2
= }и(х) (
z0 / r ‘
exp(-mr / Vq)dydx,
д
x
где r — расстояние от точки наблюдения
до излучающего элемента пластины:
r = ■ yji X - x0f + (y - y0)2 + ZQ2 , Vq — скорость
объемной акустической волны в воде, x, x,y,y2 — границы излучателя.
Для теоретического анализа диаграммы направленности созданного излучателя использовались следующие значения (рис. 3): x = —37.5 мм; x2= 37.5 мм; у = —25 мм; у2 = 25 мм; N = 8; x., = x.+6 мм; d, = 4 мм; U = 1; V. = 1500 м/с;
? idt 1 ? idt 9 i 9 lq 19
f = 100 kHz.
На рис. 7 представлена рассчитанная
диаграмма направленности в плоскости XZ (рис. 1) созданного макета излучателя ультразвука в жидкость при расстоянии от излучателя до точки приема 50, 65 и 150 см и для частоты А0-волны 100 кГц.
Сравнение рис. 6 (ряд 3) и 7 показывает их качественное соответствие.
порядка (А). Проведено теоретическое и экспериментальное исследование диаграммы направленности такого излучателя в полосе частот 89-107 кГц. Обнаружено, что существует возможность реализации углового сканирования акустическим лучом путем изменения частоты Ад-волны. Показано,что такойспособ немеханического сканирования может быть реализован в простом устройстве, в отличие от сложных излучающих систем типа фазированных антенных решеток. Показано также, что характеристики излучения можно оптимизировать, используя различные пьезоматериалы и топологии системы электродов. Предлагаемые гидроакустические излучатели обладают следующими преимуществами: i)
излучающая сторона свободна от возбуждающей электродной структуры, что существенно облегчает их гидроизоляцию; ii) отсутствует необходимость использования согласующих слоев для повышения эффективности излучения ультразвука в жидкость; iii) используется электрическое напряжение далекое от пробойных значений; iv) излучение ультразвука в жидкость осуществляется под углом к пьезопластине. Указанные достоинства позволят создать на основе предлагаемых излучателей более эффективные устройства для подводных систем связи и гидролокации.
Работа поддержана Минобрнауки РФ ГК 14.740.11.0645, ГК 14.740.11.0077, ГК 07.514.11.4080 и РФФИ 10-02-01313.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в работе предложено использовать в качестве гидроакустического волноводного излучателя объемной акустической волны в жидкость пьезоэлектрическую пластину, поддерживающую распространение антисимметричной волны Лэмба нулевого
ЛИТЕРАТУРА
1. Hill CR (ed.). Physical principles of medical ultrasonics. Chichester: Ellis Horwood, 1986.
2. Rajendran V, Palanichami P and Raj B. Science and technology of Ultrasonics. New Delhi, Narosa Publishing House, 2003.
3. Joshi SG, Zaitsev BD. Low-profile transducer for
2 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЭНСИТ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
flow meters. US Patent No. 6, 609, 430 B1, 2002.
4. Maltzev Yu, Prokopchik S. Underwater sound waveguide running wave transducers for shallow water acoustics. SWAC’97, 1997:615-620.
5. Joshi SG, Zaitsev BD, Kuznetsova IE. Miniature, high efficiency transducers for use in ultrasonic flow meters. Journ. of Applied Phys, 2009, 105(3):034501.
6. Joshi SG, Zaitsev BD, Kuznetsova IE. Efficient mode conversion transducers for use in ultrasonics flow meters. Proc. of IEEE Ultrasonics Symp, 2009:14911494.
7. Kuznetsova IE, Zaitsev BD, Joshi SG and Teplykh AA. Effect of a liquid on the characteristics of antisymmetric Lamb waves in thin piezoelectric plates. Acoustical Physics, 2007, 53(5):557—563.
8. Watkins RD, Cooper WHB, Gillespie AB, Pike RB. The attenuation of Lamb waves in the presence of a fluid. Ultrasonics, 1982, 20:257-264.
9. Zaitsev BD, Joshi SG, Kuznetsova IE, Borodina IA. Acoustic waves in piezoelectric plates bordered with viscous and conductive liquids. Ultrasonics, 2001, 39(1):45-50.
10.Oliner AA (ed.). Acoustic Surface Waves. In: Topics in Applied Physics. Vol. 24, Chap. 2. Berlin, Springer-Verlag, 1978.
11. Brekhovskikh LM. Waves in layered media. New York, Academic Press, 1980.
12. Campbell JJ, Jones WR. Propagation of surface waves at the boundary between a piezoelectric crystal and a fluid medium. IEEE Trans. on Ultrason, Ferroel. andFreq. Contr, 1970, 17(2):71-76.
13. Joshi SG, Jin Y. Propagation of ultrasonic Lamb waves in piezoelectric plates. J. of Appl. Phys., 1991, 70(8):4113-4120.
14. НИИ «ЭЛПА», каталог «Сегнетомягкие материалы»: http://www.elpapiezo.ru/Catalogs/ Catalog_ of_piezpceramic.pdf (доступ 25.11.2011).
15. Pachner J. On the dependence of directivity patterns on the distance from emmiter. J. Acoust. Soc. Amer., 1956, 28(1):86-90.
16. Morgan DP. Surface-wave devices for signal processing. Amsterdam, Elsevier, 1985.
17. Born M, Wolf E. Principles of optics. Ch.8. London, Pergamon, 1986.
ВОЛНОВОДНЫЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ 9 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
Кузнецова Ирен Евгеньевна,
д.ф.-м.н, доцент, в.н.с.,
ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, Саратовский филиал,
410019 Саратов, ул. Зеленая, 38,
тел. +7 8452 27-7323, [email protected]
Зайцев Борис Давыдович,
д.ф.-м.н., проф, завлаб,
ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, Саратовский филиал,
410019 Саратов, ул. Зеленая, 38, тел. +7 8452 27-7323, [email protected]
Бородина Ирина Анатольевна,
к.ф.-м.н, с.н.с,
ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, Саратовский филиал,
410019 Саратов, ул. Зеленая, 38,
тел. +7 8452 27-7323, [email protected]
Колесов Владимир Владимирович
к.ф.-м.н., зав. лабораторией, действ. член РАЕН,
ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН,
125009 Москва, ул Моховая, д.11, корп.7, тел. +7 495 629 3368, [email protected]
Скнаря Анатолий Васильевич,
к.ф.-м.н., с.н.с.
ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН,
125009 Москва, ул Моховая, д.11, корп.7, тел. +7 495 629 3368, [email protected]. ru
Петрова Надежда Геннадиевна,
ведущий инженер,
ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН,
125009 Москва, ул Моховая, д.11, корп.7, тел. +7 495 629 3368, [email protected]
Носов Александр Вадимович
главный специалист,
Институт Океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117997 Москва, Нахимовский пр., 36, тел. +7 499 124 8704, [email protected]
РЭНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2
10 KUZNETSOVA I.E, ZAITSEV B.D., BORODINA I.A.,
KOLESOV VV, SKNARYA A.V, PETROVA N.G., NOSOV A.V
RADIOELECTRONICS
THE DIRECTIONAL PATTERN OF HYDROACOUSTICAL WAVEGUIDE EMITTER’S BASED ON ANTYSIMMETRIC LAMB WAVE OF ZERO ORDER IN PIEZOELECTRIC PLATE
Kuznetsova I. E, Zaitsev B. D., Borodina I. A.,
Kotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Saratov Branch, Russian Academy of Science, http://www. soire.renet. ru
38, Zelenaya str., 410019 Saratov, Russian Federation [email protected]
Kolesov V. V., Sknarya A. V., Petrova N. G.,
Kotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Science, http://www.cplire.ru
11/7, Mokhovaya str., 125009 Moscow, Russian Federation
Nosov A. V.,
Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, http://wwwocean.ru
36, Nakhimovsky pr., 117218 Moscow, Russian Federation
A piezoelectric plate supporting the propagation of antisymmetric zero-order (A0) Lamb wave is proposed to be used as a hydroacoustical waveguide emitter that transmits a bulk acoustic wave (BAW) into a liquid. The emitter’s directional pattern has been theoretically and experimentally examined for a frequency band of 89-107 kHz. An angular acoustic beam scanning was revealed to be realized by varying the A0 wave frequency. It is shown that, unlike complicated emitting systems of phased array type, this nonmechanical scanning could be realized in a simple device. The obtained results are in a good agreement with the theoretical ones.
Keywords: directional pattern, piezoelectric plate, hydroacoustical waveguide emitter, Lamb wave, angular acoustic beam scanning.
UDC 534.2
Bibliography — 17 references Received 25.11.2011
RENSIT, 2011, 3(2):3-11________________________________
REFERENCES
1. Hill CR (ed.). Physical principles of medical ultrasonics. Chichester: Ellis Horwood, 1986.
2. Rajendran V, Palanichami P and Raj B. Science and technology of Ultrasonics. New Delhi, Narosa Publishing House, 2003.
3. Joshi SG, Zaitsev BD. Low-profile transducer for flow meters. US Patent No. 6, 609, 430 B1, 2002.
4. Maltzev Yu, Prokopchik S. Underwater sound waveguide running wave transducers for shallow water acoustics. SWAC’97, 1997:615-620.
5. Joshi SG, Zaitsev BD, Kuznetsova IE. Miniature, high efficiency transducers for use in ultrasonic flow meters. Journ. of Applied Phys, 2009, 105(3):034501.
6. Joshi SG, Zaitsev BD, Kuznetsova IE. Efficient mode conversion transducers for use in ultrasonics flow meters. Proc. of IEEE Ultrasonics Symp, 2009:14911494.
7. Kuznetsova IE, Zaitsev BD, Joshi SG and Teplykh AA. Effect of a liquid on the characteristics of antisymmetric Lamb waves in thin piezoelectric plates. Acoustical Physics, 2007, 53(5):557—563.
8. Watkins RD, Cooper WHB, Gillespie AB, Pike RB. The attenuation of Lamb waves in the presence of a fluid. Ultrasonics, 1982, 20:257-264.
9. Zaitsev BD, Joshi SG, Kuznetsova IE, Borodina IA. Acoustic waves in piezoelectric plates bordered
2 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЭНСИТ
RADIOELECTRONICS
THE DIRECTIONAL PATTERN OF 11 HYDROACOUSTICAL WAVEGUIDE EMITTER’S
with viscous and conductive liquids. Ultrasonics, 2001, 39(1):45-50.
10. Oliner AA (ed.). Acoustic Surface Waves. In: Topics in Applied Physics. Vol. 24, Chap. 2. Berlin, Springer-Verlag, 1978.
11. Brekhovskikh LM. Waves in layered media. New York, Academic Press, 1980.
12. Campbell JJ, Jones WR. Propagation of surface waves at the boundary between a piezoelectric crystal and a fluid medium. IEEE Trans. on Ultrason., Ferroel. and Freq. Contr., 1970, 17(2):71-76.
13. Joshi SG, Jin Y. Propagation of ultrasonic Lamb waves in piezoelectric plates. J. of Appl. Phys, 1991, 70(8):4113-4120.
14. НИИ «ЭЛПА», каталог «Сегнетомягкие материалы»: http://www.elpapiezo.ru/Catalogs/ Catalog_ of_piegpceramic.pdf (доступ 25.11.2011).
15. Pachner J. On the dependence of directivity patterns on the distance from emmiter. J. Acoust. Soc. Amer, 1956, 28(1):86-90.
16. Morgan DP. Surface-wave devices for signal processing. Amsterdam, Elsevier, 1985.
17. Born M, Wolf E. Principles of optics. Ch.8. London, Pergamon, 1986.
РЭНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2
