Электроакустические пьезопреобразователи и антенные решетки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт высоких технологий и пьезотехники

В. Л. ЗЕМЛЯКОВ

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ 
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 
И АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2017

УДК 681.88:537.226.86(075.8) 
ББК 32.875я73-5
 
З 531

Печатается по решению кафедры информационных и измерительных 
технологий Института высоких технологий и пьезотехники Южного 
федерального университета (протокол № 7 от 14 февраля 2017 г.)

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, 
директор Института высоких технологий и пьезотехники 
Южного федерального университета А. Е. Панич

кандидат технических наук, доцент, 
заведующая кафедрой «Приборостроение» 
Донского государственного технического университета И. К. Цыбрий

Земляков, В. Л.
Электроакустические пьезопреобразователи и антенные решетки : учебное пособие / В. Л. Земляков ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2017. – 88 с.

ISBN 978-5-9275-2370-2

Учебное пособие «Электроакустические пьезопреобразователи и антенные решетки» 
продолжает серию учебных пособий для магистрантов, обучающихся в области пьезоэлектрического приборостроения. Описаны особенности электроакустических пьезопреобразователей и антенных решеток, а также представлены современные методы определения и 
контроля их параметров. 

З 531

ISBN 978-5-9275-2370-2

УДК 681.88:537.226.86(075.8) 
ББК 32.875я73-5  

© Южный федеральный университет, 2017
© Земляков В. Л., 2017
©  Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2017

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................5

МОДУЛЬ 1. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ  ..............9

1.1. Общая характеристика электроакустических 
пьезопреобразователей ............................................................9
1.2. Общая характеристика пьезоэлементов ..............................12
1.3. Электрическая проводимость пьезоэлемента и ЭАП ........17
1.4. Электрические, электроакустические и акустические 
параметры ЭАП ......................................................................23
Практическое задание к модулю 1 ..............................................30
Тестовые задания к модулю 1 ......................................................32

МОДУЛЬ 2. АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ ............................................................35

2.1. Общая характеристика антенных решеток ........................35
2.2. Прямые методы определения ДН АР ..................................39
2.3. Косвенные методы определения ДН АР ..............................40
2.3.1. Методы, в которых ДН измеряется 
непосредственно в ближней зоне ...............................41
2.3.2. Методы, основанные на зондировании ближнего 
поля АР ..........................................................................43
2.4. Влияние разбросов параметров и отказов ЭАП 
на поле АР ...............................................................................49
2.5. Пример компьютерной программы моделирования 
акустических характеристик АР ..........................................52
Практическое задание к модулю 2 ..............................................58
Тестовые задания к модулю 2 ......................................................59

МОДУЛЬ 3. ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЭАП .......................61

3.1. Общий контроль ЭАП ............................................................61
3.2. Контроль ЭАП без отключения от аппаратной части ........62

3.3. Контроль электроакустических параметров ЭАП 
по электрическим измерениям .............................................64
3.4. Контроль ЭАП по измерениям активной 
составляющей проводимости ................................................68
Практическое задание к модулю 3 ..............................................73
Тестовые задания к модулю 3 ......................................................73

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .........................................................................................76

ПРАВИЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ К ТЕСТОВЫМ ЗАДАНИЯМ ...................................77

СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ ..........................................................79

ЛИТЕРАТУРА ...........................................................................................86

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие подводной акустики (гидроакустики) и 
гидроакустических средств для целей исследования и освоения 
океана связано с тем, что акустические волны являются практически единственным типом волн, распространяющимся в водной 
среде на значительные расстояния. Гидроакустические средства, 
действие которых основано на использовании акустических волн в 
воде, выполняют самые разнообразные функции, основными среди которых являются: гидроакустическая разведка, обеспечивающая сбор и обработку информации, содержащейся в различных 
гидроакустических сигналах; шумопеленгование – обнаружение 
источника гидроакустических сигналов и определение его угловых 
координат; гидролокация – обнаружение источника отраженного 
сигнала, определение его координат и параметров движения; гидроакустическая связь.
Любое гидроакустическое средство можно условно разбить на 
две составные части:
акустическая часть, непосредственно контактирующая с водой и содержащая подводные электроакустические преобразователи (ЭАП), как правило, пьезоэлектрического типа, работающие изолированно или группами в составе антенных 
решеток (АР);
аппаратная часть, содержащая радиотехнические устройства 
(генераторы, усилители, фильтры и т. д.), и обеспечивающая 
формирование, обработку электрических сигналов, а также 
отображение информации, передаваемой на ЭАП или АР 
либо поступающей с них.
Основными задачами при проектировании и конструировании 
ЭАП являются: выбор типа конструкции, материалов и расчет размеров деталей, обеспечивающих требования к эффективности и 
надежности преобразователя при минимальной его стоимости. 
Активный элемент преобразователя состоит, как правило, из совокупности простейших пьезоэлементов, соединенных друг с другом с помощью клея. Такой способ построения активного элемента 

–

–

Введение

6

позволяет снизить напряжение поляризации пьезоэлементов, повысить емкость активного элемента в целом и его эффективность. 
Крепление активного элемента к корпусу осуществляется с помощью эластичных прослоек из полимерных или металлических материалов. Механическая прочность активного элемента в случае 
необходимости может быть повышена путем наложения на него 
специальных сжимающих напряжений, создаваемых элементами 
армирования.
Изготовление ЭАП является довольно сложным процессом, 
включающим в себя такие физико-химические и механические 
операции, как склейка, шлифовка, пропитка, заливка, сварка, 
штамповка, прессовка и вулканизация материалов. 
Многообразию конструкций преобразователей, естественно, соответствует и многообразие технологических операций по их изготовлению. Однако независимо от типа конструкции преобразователей в большинстве случаев при их изготовлении осуществляются 
следующие основные технологические операции:
1. Изготовление с необходимыми допусками деталей, входящих 
в различные узлы преобразователей: пьезоэлементов, деталей корпусов, электроизоляции, бандажей, токовводов, контактных пластин, лепестков.
2. Изготовление неармированных активных элементов: пайка лепестков к пьезоэлементам, доводка размеров активных элементов до требований чертежей (шлифовка); склейка простейших 
пьезоэлементов в сложные; монтаж и пайка электрических соединений; заполнение случайно образовавшихся полостей пропиточными материалами; покрытие поверхностей активных элементов 
электроизоляционными материалами (лаками), образующими 
тонкие пленки.
3. Электроизоляция и армирование активных элементов, включающие наложение на активный элемент слоев электроизоляционных материалов, удовлетворяющих требованиям электрической 
прочности (гетинакса, стеклонити, резины и др.); наложение на активный элемент армирующего элемента (стеклонити, бандажа, 
стяжки), создающего в нем необходимые напряжения сжатия; пропитка армированного элемента материалами, заполняющими случайно образовавшиеся полости.

Введение

7

4. Герметизация активных элементов, состоящая из заливки их 
герметизирующими материалами (компаундами, полиуретанами 
и др.) или их вулканизации резинами. Следует отметить, что при 
изготовлении некоторых конструкций операции герметизации и 
армирования осуществляются практически одновременно.
Антенная решетка – это совокупность совместно работающих 
ЭАП (элементов решетки), сигналы которых складываются с определенным фазовым сдвигом, обеспечивающим формирование требуемых характеристик. Для излучения и приема сигналов каждый ЭАП или отдельная группа ЭАП имеет свой электронный 
тракт. В настоящее время АР являются наиболее перспективным 
типом антенн. Применение АР по сравнению с одиночным преобразователем обладает рядом преимуществ: во-первых, это существенное увеличение излучаемой акустической мощности и повышение чувствительности в режиме приема; во-вторых, обеспечение 
высокой пространственной избирательности при излучении и приеме звука; в-третьих, возможность изменения акустических характеристик путем изменения амплитуды и фазы напряжения, возбуждающего ЭАП.
Антенные решетки могут быть линейными либо имеющими 
преобразователи, располагающиеся на плоской, цилиндрической 
или сферической поверхности. 
Физической причиной направленности АР является интерференция звукового давления, создаваемого преобразователями. Поэтому направленность АР может быть значительно выше направленности отдельного ее ЭАП. 
В отличие от отдельных ЭАП для АР важными являются вопросы:
определение направленных свойств, в частности диаграммы 
направленности (ДН) АР по измерениям на небольших расстояниях, в так называемой ближней зоне;
влияние на акустические характеристики АР разброса параметров или выхода из строя ЭАП.
Учебное пособие содержит три модуля.
В первом модуле приводится общая характеристика пьезоэлементов и электроакустических пьезопреобразователей. Подробно 
рассматриваются их электрические, электроакустические и акустические параметры.

–

–

Введение

Второй модуль посвящен характерным особенностям АР. В нем 
рассматриваются методы определения ДН АР, а также влияние 
разбросов параметров и отказов ЭАП на поле антенной решетки. 
Приводится пример компьютерной программы моделирования направленных свойств АР. 
Третий модуль подробно знакомит с методами контроля параметров и проверки идентичности ЭАП, как изолированных, так и 
работающих в составе АР. 
Каждый модуль снабжен проектным заданием и тестами для 
самоконтроля.
Для успешного освоения предлагаемого учебного пособия желательно предварительно изучить  работы [5; 6].

МОДУЛЬ 1 

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 

Комплексная цель изучения модуля состоит в ознакомлении 
с электроакустическими пьезопреобразователями. Приводится характеристика их электрических, акустических и электроакустических параметров.

1.1. ОАкустическое поле представляет собой поле механических возмущений, и поэтому для их создания и приема используют механические колебательные системы. Если механические колебания 
и акустические волны возникают за счет электрической энергии, 
получаемой колебательной системой вследствие пьезоэффекта от 
электрического генератора, то такое устройство представляет собой электроакустический пьезопреобразователь (ЭАП). Особенно 
широкое распространение получили подводные (гидроакустические) ЭАП, поскольку только акустические волны распространяются в водной среде на значительные расстояния. 
В соответствии с общепринятой терминологией под ЭАП понимается устройство, которое преобразует электрическую энергию в 
энергию акустических волн (преобразователь-излучатель) или осуществляет обратное преобразование (преобразователь-приемник). 
Простой ЭАП можно изготовить, например, из пьезоэлемента 
цилиндрической формы, если подпаять соединительные провода к 
электродам на внешней и внутренней поверхностях цилиндра, закрыть заглушками пространство внутри цилиндра и все покрыть 
герметизирующим покрытием. Если такую конструкцию опустить 
в воду, а соединительные провода подключить к электрическому 
генератору, то в воде вследствие колебаний цилиндра возникнут 
акустические волны. 

Модуль 1. Электроакустические пьезопреобразователи

10

Существует несколько вариантов классификации ЭАП.
По назначению их делят на излучатели, приемники и обратимые преобразователи. 
По принципу преобразования энергии различают пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические, электромагнитные, электростатические преобразователи. 
По структуре колебательной системы преобразователи делят на 
стержневые, пластинчатые, цилиндрические, сферические. 
Разберем более подробно показанные на рис. 1.1 виды колебательных систем пьезоэлектрических ЭАП [14].

Рис. 1.1. Виды колебательных систем пьезоэлектрических ЭАП

Стержневые системы содержат свободный электромеханически 
активный стержень (рис. 1.1, а) либо стержень с одной (рис. 1.1, б), 
двумя (рис. 1.1, в) накладками или с некоторым числом слоев из 
пассивного материала. 
В таких системах возбуждаются продольные колебания по оси 
стержня с определенным распределением амплитуд и упругих напряжений, причем колебания считают поршневыми.

1.1. Общая характеристика  электроакустических пьезопреобразователей

11

Пластинчатые системы выполняют в виде прямоугольной 
(рис. 1.1, г) или круглой (рис. 1.1, д) пластин, колеблющихся по 
толщине, а также в виде пластин, опертых по двум противоположным граням (рис. 1.1, е) или по окружности (рис. 1.1, ж) и совершающих поперечные колебания изгиба.
В цилиндрических системах, которые образуют кольца из активного материала, могут возбуждаться радиальные пульсирующие колебания (рис. 1.1, з), осциллирующие (рис. 1.1, и) и изгибные с четырьмя узлами по окружности (рис. 1.1, к).
Сферическая система представляет собой тонкую однородную 
сферическую оболочку (рис. 1.1, л), совершающую практически радиальные пульсирующие колебания.
Пример реальной конструкции стержневого ЭАП с двумя накладками показан на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Подводный стержневой ЭАП

В этом ЭАП армирующий элемент в виде стяжки создает необходимое напряжения сжатия. Электромеханически активный пьезостержень составлен из отдельных пьезоэлементов в виде шайбы. 
Внеш ний вид пье зо элемента в виде шайбы 
показан на рис. 1.3. Использованы обозначения: d – внешний диаметр, w – ширина, t – 
толщина шайбы. Часто выполняется условие 
d >> w, t.
Поскольку в этом учебном пособии рассматриваются электроакустические пьезопреобразователи, 
активным 
элементом 
кото рых является пьезоэлемент (или пьезоэле мен ты), опишем его свойства более подробно [5].
Рис. 1.3. Пьезоэлемент 
в виде шайбы

Рис. 1.3. Пьезоэлемент 
в виде шайбы