Результаты экспериментального исследования электроакустических характеристик составных пьезокерамических преобразователей с накладками для задач мониторинга морской экологии
Автор: В.И. Калюта, В.В. Деменчук, П.П. Пивнев, С.П. Тарасов
Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie
Рубрика: Физика приборостроения
Статья в выпуске: 4, 2025 года.
Бесплатный доступ
Представлены результаты экспериментального исследования влияния количества активных пьезокерамических элементов (2, 6, 8) на электроакустические характеристики широкополосных стержневых преобразователей с накладками в частотном диапазоне 12–35 кГц. Методом экспериментального макетирования исследованы частотные зависимости активной составляющей полного сопротивления (Rw) и динамической емкости (Cd) трех конфигураций преобразователей с пьезокерамическими элементами из материала ЦТБС-3 и накладками из нержавеющей стали. Установлено, что в низкочастотном поддиапазоне (12–21 кГц) все исследованные конфигурации демонстрируют сопоставимые значения Rw (~3000 Ом), тогда как в высокочастотном поддиапазоне (22–35 кГц) наблюдаются существенные различия: двухэлементный макет показывает максимальное Rw = 8000 Ом при 29 кГц, а многоэлементные конфигурации (6 и 8 элементов) характеризуются значительно меньшими значениями (42–190 Ом) вследствие фазовых эффектов взаимодействия элементов. Динамическая емкость изменяется от +87 до –78 нФ в зависимости от конфигурации и частоты. Научная новизна заключается в проведении систематического сравнительного исследования зависимости ключевых электроакустических параметров от количества активных элементов в составных стержневых преобразователях с накладками для частотного диапазона, актуального для гидроакустического мониторинга морской экологии. Полученные результаты демонстрируют перспективность применения двухэлементных конфигураций для высокочастотных приложений и многоэлементных — для широкополосных задач мониторинга морских экосистем.
Пьезокерамические преобразователи, гидроакустика, морская экология, активное сопротивление, динамическая емкость, широкополосные преобразователи, ЦТБС-3
Короткий адрес: https://sciup.org/142246264
IDR: 142246264 | УДК: 534.321.9;551.465;534.222
Results of experimental research into the electroacoustic characteristics of composite piezoceramic transducers with overlays for marine ecology monitoring tasks
The results of an experimental study of the effect of the number of active piezoceramic elements (2, 6, 8) on the electroacoustic characteristics of broadband rod transducers with overlays in the frequency range of 12–35 kHz are presented. The frequency dependences of the active component of impedance (Rw) and dynamic capacitance (Cd) of three configurations of converters with piezoceramic elements made of CTBS-3 material have been studied by experimental prototyping and stainless-steel overlays. It was found that in the low-frequency subband (12–21 kHz), all the studied configurations demonstrate comparable values of Rw (~3000 Ω), whereas in the high-frequency subband (22–35 kHz), significant differences are observed: the two-element layout shows a maximum Rw = 8000 Ω at 29 kHz, and the multi-element configurations (6 and 8 elements) are characterized by significantly lower values (42–190 Ω) due to the phase effects of the interaction of the elements. The dynamic capacitance varies from +87 to –78 nF depending on the configuration and frequency. The scientific novelty consists in conducting a systematic comparative study of the dependence of key electroacoustic parameters on the number of active elements in composite rod transducers with overlays for the frequency range relevant for hydroacoustic marine ecology monitoring. The results obtained demonstrate the prospects of using two–element configurations for high-frequency applications and multi-element configurations for broadband monitoring of marine ecosystems.
Список литературы Результаты экспериментального исследования электроакустических характеристик составных пьезокерамических преобразователей с накладками для задач мониторинга морской экологии
- 1. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Ленинград: Судостроение, 1988. 200 с.
- 2. Подводные электроакустические преобразователи: справочник / Под ред. В.В. Богородского. Ленинград: Судостроение, 1983. 248 с.
- 3. Пьезокерамические преобразователи: справочник / Под ред. С.И. Пугачева. Ленинград: Судостроение, 1984. 256 с.
- 4. Park S. et al. Design of Piezoelectric Acoustic Transducers for Underwater Applications // Sensors. 2023. Vol. 23, no. 4. Id. 1821. DOI: 10.3390/s23041821
- 5. Birjis Y., Swaminathan S., Nazemi H., Raj G.C.A., Munirathinam P., Abu-Libdeh A., Emadi A. Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers (PMUTs): Performance Metrics, Advancements,and Applications // Sensors. 2022. Vol. 22, no. 23. Id. 9151. DOI:
- 10.3390/s22239151
- 6. Godlewska M., Ye S. Hydroacoustics in Marine, Transitional and Freshwaters // Water. 2023. Vol. 15, no. 9. Id. 1674. DOI: 10.3390/w15091674
- 7. Shams L., Xu T.-B. Underwater communication acoustic transducers: a technology review // Proceedings of SPIE. 2023. Vol. 12486. Id. 124860A. DOI: 10.1117/12.2663073
- 8. Rymansaib Z., Kurt P., Zhang Y., Roscow J.I., Bowen C.R., Hunter A.J. Ultrasonic Transducers Made From Freeze-Cast Porous Piezoceramics // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2022. Vol. 69, no. 3. P. 1100–1111. DOI:
- 10.1109/TUFFC.2022.3144521
- 9. Su J., Wang H., Wei T. Hydroacoustic Performance Analysis and Testing of a Novel Piezoelectric Material Transducer // Measurement. 2024. Vol. 224. Id. 113817. DOI: 10.1016/j.measurement.2023.113817
- 10. Степанов Б.Г. О возможности построения широкополосных стержневых пьезопреобразователей с фазированным возбуждением секций // Акустический журнал. 2009. Т. 55, № 3. С. 407–414. URL: http://www.akzh.ru/pdf/2009_3_407-414.pdf
- 11. Степанов Б.Г. Широкополосный стержневой гидроакустический преобразователь. Пат. РФ RU 119552 U1 Российская Федерация, опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23. URL: https://patents.google.com/patent/RU119552U1/ru
- 12. Дианов Д.Б., Задириенко И.М. Расчет слоистой согласующей структуры стержневого преобразователя методом оптимизации параметров // Акустический журнал. 1981. Т. 27, № 1. С. 104–109. URL: http://www.akzh.ru/pdf/1981_1_104-109.pdf
- 13. Hao S., Zhong C., Wang L., Qin L. High-Performance Flexible Hydroacoustic Transducer Based on 1-3 PZT5A/Silicone Rubber Composite // Sensors. 2024. Vol. 24, no. 7. Id. 2081. DOI: 10.3390/s24072081
- 14. Nie X., Wang B., Tao S. Frequency reversal-based intercarrier interference mitigation for underwater acoustic OFDM communications // Applied Acoustics. 2022. Vol. 194. Id. 108791. DOI: 10.1016/j.apacoust.2022.108791
- 15. Liu F., Shen T., Luo Z., Zhao D., Guo S. Underwater target recognition using convolutional recurrentneural networks with 3-D Mel- spectrogram and data augmentation // Applied Acoustics. 2021. Vol.178. Id. 107989. DOI: 10.1016/j.apacoust.2021.107989
- 16. Thompson S.C., Meyer R.J., Markley D.C. Performance of tonpilz transducers with segmentedpiezoelectric stacks using materials with high electromechanical coupling coefficient // The Journal of the Acoustical Society of America. 2014. Vol. 135, no. 1. P. 155–164. DOI:
- 10.1121/1.4837217
- 17. Egerton J.P., Johnson A.F., Turner J., Le Vay L., Mascareñas-Osorio I., Aburto-Oropeza O. Hydroacoustics as a tool to examine the effects of Marine Protected Areas and habitat type on marinefish communities // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. Id. 47. DOI: 10.1038/s41598-017-18353-3
- 18. Lin T.H., Sinniger F., Harii S., Akamatsu T. Using Soundscapes to Assess Changes in Coral Reef SocialEcological Systems // Oceanography. 2023. Vol. 36, no. 1. P. 20–27. DOI: 10.5670/oceanog.2023.s1.7
- 19. Minello M., Calado L., Xavier F.C. Ecoacoustic indices in marine ecosystems: a review on recent developments, challenges, and future directions // ICES Journal of Marine Science. 2021. Vol. 78, no. 9. P. 3066–3074. DOI: 10.1093/icesjms/fsab193
