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

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.

Еще

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

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

Еще