Гидрофон на основе PVDF пьезоэлемента с трансимпедансным усилительным каскадом

Основные технические задачи гидроакустики — излучение и прием акустической энергии в жидкой среде. Акустическое поле представляет собой поле механических возмущений, для создания и приема которых используют механические колебательные системы [1]. Такие электроакустические системы представляют собой устройства, осуществляющие электромеханическое преобразование колебаний. Чаще всего таким преобразователем является пьезоэлектрический элемент. Приемное устройство на основе пьезоэлемента обладает высоким выходным сопротивлением, что осложняет усиление принимаемого сигнала [2]. Разработка доступной для повторения конструкции лабораторного гидрофона и ее реализация приводит к решению технических задач, определяющих основные параметры и характеристики устройства. Электронная схема должна обладать малыми собственными шумами и устойчивостью к электромагнитным помехам. Эти условия накладывают требования на выбор доступных элементов, расчет принципиальной схемы.

Конструкция гидрофона

Гидрофон (рис. 1) состоит из алюминиевого корпуса диаметром 30 мм, внутри которого расположен усилитель сигнала. В торец корпуса герметично вклеен пьезоэлемент. Такое расположение позволяет ему совершать изгибные колебания под воздействием акустической волны. Преобразованный звуковой сигнал подается по кабелю на осциллограф или ЦАП.

Рис. 1. Конструкция гидрофона. 1 — соединительные провода; 2 — пьезоэлемент;

• 3 — алюминиевый корпус; 4 — многожильный кабель; 5 — усилитель сигнала.

В качестве пьезоэлемента используется пьезоизлучатель, применяемый в устройствах оповещения. Он состоит из латунной пластинки, на которую нанесен слой PVDF полимера с металлизацией. Измеренная резонансная частота пьезоэлемента равна 3,7 кГц.

Моделирование и результаты измерения характеристик усилителя

Сигнал с пьезоэлемента подается на усилитель, входной каскад которого выполнен по схеме преобразователя тока, а выходной является инструментальным усилителем. Принципиальная схема усилителя изображена на рис. 2. Сопротивления R1, R2 являются токоограничивающими и призваны снизить шум, связанный с электромагнитными помехами, наводимыми на пьезоэлемент и соединительные провода. Сопротивления R3, R4 задают коэффициент усиления, а конденсаторы, подключенные к этим резисторам, стабилизируют работу схемы. Оу1 и Оу2 — половины операционного усилителя TL072. В качестве входных операционных усилителей необходимо использовать, ОУ с малым входным током. Такому критерию удовлетворяют усилители с входным каскадом на JFET транзисторах. Также полоса пропускания устройства будет зависеть от полосы ОУ, поэтому в случае приема высоких частот необходимо подобрать ОУ с частотой нулевого усиления не менее чем в 5-10 раз больше полосы устройства. Далее усиленный симметричный сигнал подается на вход инструментального усилителя AD8220, который фильтрует синфазную помеху и усиливает сигнал до необходимой амплитуды. Усиление ОУ3, задаваемое R5, так же влияет на полосу про- пускания всего устройства, поэтому в усилителях, предназначенных для частоты свыше 100 кГц, необходимо сделать коэффициент усиления равным 1 и усиливать амплитуду дополнительным каскадом. В таком случае ОУ3 будет играть роль подавителя синфазной помехи.

Рис. 2. Принципиальная схема гидрофона с усилителем.

Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика модели усилителя

Моделирование в программе LTspice амплитудно-частотной характеристики (рис. 3) данного устройства позволяет определить частоту среза в районе 60 кГц. Для диапазона АЧХ пьезоэлемента имеет небольшой подъем в сторону высоких частот [3]. Таким образом, в диапазоне 20-40 кГц АЧХ гидрофона практически линейна, а выше 40 кГц чувствительность падает, достигая уровня -3 дБ на частоте 70 кГц.

Результаты и обсуждение

Создан и исследован лабораторный гидрофон, обладающий большой чувствительностью и оптимальной эксплуатационной характеристикой, способствующими его широкому применению для различных измерений скорости звука и прохождение сигналов в различных средах. Гидрофон обеспечивает чувствительность до 40 дБ в диапазоне частот 20–70 кГц.

Модификация схемы может позволить использовать гидрофон для решения большогоколичества технических задач, с учетом основных параметров и характеристик устройства. Основным ограничителем полосы пропускания является инструментальный усилитель ОУ3. Из результатов моделирования следует, что применив высокочастотный усилитель можно расширить частотный диапазон гидрофона.

Работа выполнена при поддержке РФФИ грант 18-02-00523 и БГУ грант №16.8168.2017/БЧ.