Гидроакустический излучатель/приемник на основе а0 волн лэмба

Полезная модель относится к гидроакустике и может быть использована для излучения и приема ультразвукового сигнала в жидкости в измерителях скорости потока жидкости, в гидролокаторах и гидроакустических технологиях. Устройство представляет собой пьезоэлектрическую пластину, на одной из сторон которой находится излучающий/принимающий встречно-штыревой преобразователь для возбуждения и приема акустической волны Лэмба А₀, а на другую сторону, контактирующую с жидкостью, нанесена нанокомпозитная полимерная пленка, содержащая наночастицы металлов и их окислов. Геометрические размеры встречно-штыревого преобразователя определяются частотой А₀ волны, ее скоростью и толщиной пьезоэлектрической пластины. С помощью встречно-штыревого преобразователя в структуре «пьезоэлектрическая пластина - нонокомпозитный полимерный слой» возбуждают А₀ волну Лэмба при соответствующих значениях выбранной частоты ВЧ генератора. Поскольку скорость А₀ волны в структуре больше, чем скорость объемной акустической волны (ОАВ) в жидкости, то за счет радиационного излучения в жидкость начинает излучаться объемная акустическая волна. Предлагаемый излучатель может также использоваться как приемник, т.е. ОАВ, попадая на структуру «нанокомпозитный полимерный слой - пьезоэлектрическая пластина» возбуждает в ней антисимметричную А₀ волну Лэмба, которая принимаются приемным преобразователем. Технический результат заключается в увеличении мощности излучаемой в жидкость объемной волны за счет использования низкоимпедансного нанокомпозитного полимерного слоя, который является согласующим слоем между пьезопластиной и жидкостью.

Полезная модель относится к гидроакустике и может быть использована для излучения и приема ультразвукового сигнала в жидкости в измерителях скорости потока жидкости, в гидролокаторах и гидроакустических технологиях.

Гидроакустические волноводные излучатели/приемники относятся к классу антенн бегущей волны (Уолтер К. Антенны бегущей волны / под ред. А.Ф.Чаплина. М.: Энергия, 1970). Известны различные волноводные структуры, используемые в гидроакустических волноводных антеннах для излучения объемной акустической волны в жидкость.

Известно устройство (Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Малогабаритный широкополосный гидроакустический излучатель, Патент РФ 2147797 С1), в котором акустическая волна возбуждается с торца стержня, состоящего из пьезокерамических шайб и гибких прокладок из пьезоактивного материала. Гибкие прокладки из пьезоактивного материала и пьезокерамические шайбы электрически соединены параллельно и они возбуждаются синфазно. Объемная акустическая волна излучается с другой стороны стержня. Недостатком этого устройства является технологическая сложность его изготовления.

Известно устройство (Березина Н.С., Гоц А.А., Королева Т.П. Гидроакустическая антенна накачки, Патент РФ 2292561 С2), содержащее многоэлементную дискретную антенную решетку, имеющую плоскую апертуру. Антенна содержит стрежневые пьезоэлементы двух типов, имеющие резонансные частоты, равные верхней и нижней частотам накачки, и тыльный экран, заключенные в общий корпус, герметизированный по рабочей поверхности по крайней мере одним звукопрозрачным слоем. Данная антенна характеризуется двумя режимами формирования характеристики направленности: с одним и двумя основными лепестками.

Известны излучатели и приемники акустической волны (Wu J., Zhu Z. Sensitivity of Lamb wave sensors in liquid sensing // IEEE Trans. on Ultrason., Ferroel. and Freq. Contr., 1996, vol.43, no.l, pp.71-72), распространяющейся в жидкости, которые используются для определения скорости движения жидкостных потоков. Они основаны на использовании антисимметричной волны Лэмба (А₀) нулевого порядка, распространяющейся в тонкой, по сравнению с длиной волны, пьезоэлектрической пластине. Максимальная компонента механического смещения А₀ волны всегда нормальна к поверхности пластины, что приводит к ее большому затуханию при распространении в контакте с жидкостью. Данное затухание связано с интенсивным излучением объемной акустической (ОАВ) волны в жидкость и возникает в том случае, когда скорость волны в структуре «пластина - жидкость» V больше, чем скорость ОАВ в жидкости V_1q.

Однако для использования подобных устройств в гидроакустике необходимо увеличивать мощность излучаемой ОАВ в жидкость.

Наиболее близким к заявляемому устройству является малоразмерный преобразователь для измерителей потоков, описанный в (Joshi S.G., Zaitsev B.D. Low profile transducer for flow meter, US Patent 6,609,430 26.08.2003), работа которого основана на использовании поверхностных акустических волн Рэлея или антисимметричных волнах Лэмба нулевого порядка. Эти волны распространяются в пьезоэлектрических материалах и когда их скорость больше, чем скорость ОАВ в жидкости, происходит излучение ОАВ в жидкость.

Однако данное устройство не позволяет существенно повысить мощность излучаемой волны, которая необходима для гидроакустических применений.

Целью создания заявляемого устройства является повышение мощности излучаемой волны.

Указанная цель достигается за счет того, что на поверхность пьезоэлектрической пластины, граничащей с жидкостью, наносится нанокомпозитный полимерный слой с различной концентрацией наночастиц металлов и их оксидов. Материал наночастиц и их концентрация зависят от толщины пьезоэлектрической пластины и частоты А₀ волны. В качестве преобразователя используется встречно-штыревой преобразователь.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема гидроакустического излучателя/приемника на А₀ волнах Лэмба; на фиг.2 представлена зависимость затухания от параметра d/h для А₀ волны в пластине 128YX LiNbO₃ , находящейся в контакте с нанокомпозитным полимерным слоем, содержащим 0% (1), 5% (2) и 30% (3) наночастиц CdS при hf=300 м/с, f=1.3 МГц, где d - толщина нанокомпозитного слоя, h - толщина пьезоэлектрической пластины, f - частота А₀ волны Лэмба; на фиг.3 представлена зависимость затухания А₀ волны в структуре «дистиллированная вода - пластина 128YX LiNbО₃ - вакуум» от параметра hf. Точки соответствуют экспериментальным данным; на фиг.4 представлена зависимость затухания от d/h для А₀ волны в структуре «пластина 128YX LiNbO₃ - нанокомпозитный полимерный слой с 30% наночастиц CdS - дистиллированная вода» при hf=650 м/с, f=1.3 МГц

Гидроакустический излучатель/приемник содержит (фиг.1) пьезоэлектрическую пластину 1, нанокомпозитный полимерный слой с наночастицами металлов и их оксидов 2 и излучающий/принимающий встречно-штыревой преобразователь 3 для возбуждения или приема A₀ волны Лэмба. Геометрические размеры встречно-штыревого преобразователя определяются частотой А₀ волны, ее скоростью и толщиной пьезоэлектрической пластины.

Анализ показал, что полимерный слой с 30% наночастиц CdS за счет своей вязкости приводит к возникновению затухания (Г₁ ) А₀ волны, величина которого составляет 0.4 дБ/ (фиг.2). Из фиг.3 видно, что затухание А₀ волны, связанное с излучением ОАВ в жидкость при f=1.3 МГц и толщине 128YX пластины ниобата лития 500 микрон составляет (Г₂ ) 2.1 дБ/ при угле излучения в жидкость относительно поверхности пластины ~50°. Из фиг.4 видно, что при наличии нанокомпозитного слоя с 30% концентрацией наночастиц CdS и с толщиной d/h=0.154 при контакте с дистиллированной водой затухание становится равным (Г₃) 2.9 дБ. выигрыш по радиационному затуханию составляет (Г ₃-Г₂-Г₁)0.4 дБ/.

В таблице 1 приведены данные расчетов для структур с нанокомпозитными материалами, содержащими различную концентрацию CdS и Fe при hf=650 м/с и f=1.3 МГц.

Видно, что в случае использования других типов наночастиц с различными концентрациями эффективность излучения в жидкость может быть увеличена еще больше. Например, при использовании пленок с наночастицами железа 25% затухание может составить Г₃=4.7 дБ/ при d/h=0.259. При этом затухание в присутствии вышеуказанной нанокомпозитной пленки без жидкости составляет Г₁=0.7 дБ/ и выигрыш Г₃-Г₂-Г₁=1.9 дБ/.

Таблица 1
Характеристики А0 волны в структуре «128YX пластина ниобата лития - нанокомпозитный слой - вода» при hf=650 м/с и f=1.3 МГц
Конц. н/част, %	df, мкм	Г3, дБ/	d/h	V, м/c	, град	Г 1, дБ/	(Г3 -Г2-Г1), дБ/
0	58.5	2.6	0.117	2297.02	49.1	0.05	0.45
Fe
25	130	4.7	0.259	1678	26.5	0.7	1.9
CdS
30	77	2.9	0.154	2300.99	49.25	0.4	0.4

Устройство работает следующим образом.

С помощью встречно-штыревого преобразователя 3 в структуре «пьезоэлектрическая пластина 1 - нанокомпозитный полимерный слой» возбуждают антисимметричную волну Лэмба нулевого порядка при соответствующих значениях выбранной частоты ВЧ генератора. Поскольку скорость А₀ волны в структуре больше, чем скорость ОАВ в жидкости, то за счет радиационного излучения в жидкость начинает излучаться объемная акустическая волна. Предлагаемый излучатель может также использоваться как приемник, т.е. объемная акустическая волна, попадая на структуру «нанокомпозитный полимерный слой - пластина ниобата лития» возбуждает в ней антисимметричную волну Лэмба нулевого порядка, которая принимаются приемным преобразователем 3. Низкоимпедансный нанокомпозитный полимерный слой является согласующим слоем между пьезопластиной и жидкостью, что и приводит к увеличению мощности излучаемой в жидкость объемной волны.

Гидроакустический приемник/излучатель на А₀ волне Лэмба, содержащий пьезоэлектрическую пластину с нанесенным на ее поверхность встречно-штыревым преобразователем, отличающийся тем, что для улучшения согласования и эффективности излучения объемной акустической волны в жидкость на поверхность пьезоэлектрической пластины, граничащей с водной средой, нанесен нанокомпозитный полимерный слой с различной концентрацией наночастиц металлов и их соединений.