Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современные концепции построения датчиков угловой скорости 12
1.1 Обзор принципов построения датчиков угловой скорости 12
1.2 Развитие концепций построения ультразвуковых датчиков угловой скорости 15
1.3 Распространение акустических волн в твердых телах 19
1.4 Распространение объемных акустических волн в условиях вращения звукопровода 27
1.5 Выводы 29
глава II. Объемные акустические волны в неинерциальной системе координат 31
2.1 Распространение акустических волн вдоль оси вращения 31
2.2 Распространение ортогонально оси вращения 38
2.3 Параметры распространения акустических волн в условиях ортогонального вращения 42
2.3.1 Скорость распространения акустических волн 42
2.3.2 Траектории движения частиц 43
2.4 Принципы реализации датчиков угловой скорости на объемных акустических волнах 46
2.5 Выводы 50
ГЛАВА III. Разработка преобразователя акустических волн круговой поляризации 52
3.1 Обоснование возможности построения преобразователя волн круговой поляризации 52
3.2 Концепции построения преобразователя акустических волн круговой поляризации 58
3.2.1 Излучение акустической волны круговой поляризации с использованием акустически активных материалов 58
3.2.2 Излучение акустической волны круговой поляризации на основе активных четвертьволновых слоев 59
3.3 Создание преобразователя волн круговой поляризации 85
3.4 Экспериментальные исследования преобразователя волн круговой поляризации 88
3.5 Выводы 94
ГЛАВА IV. Датчик угловой скорости с использованием акустических волн круговой поляризации 96
4.1 Метод измерения скорости акустической волны круговой поляризации 96
4.2 Разработка структурной схемы датчика угловой скорости 99
4.3 Создание макетного образца датчика угловой скорости 101
4.4 Оценка чувствительности макетного образца 107
4.5 Экспериментальные исследования макетного образца 110
4.6 Выводы 112
Заключение 114
Список сокращений и условных обозначений 116
Список основной использованной литературы 117
- Развитие концепций построения ультразвуковых датчиков угловой скорости
- Параметры распространения акустических волн в условиях ортогонального вращения
- Излучение акустической волны круговой поляризации на основе активных четвертьволновых слоев
- Создание макетного образца датчика угловой скорости
Введение к работе
Актуальность
Значительная роль в современной электронике принадлежит электроакустическим устройствам. Широкие возможности применения электроакустических устройств в качестве элементной базы привели к появлению нового направления науки и техники – акустоэлектроники. Одним из востребованных продуктов акустоэлектроники стали разного рода сенсоры, в основе работы которых лежат физические явления, связанные с особенностями распространения акустических волн. Работы последних десятилетий в части разработки акустических сенсоров направлены в сторону создания датчика угловой скорости. Подобные исследования имеют своей целью решить ряд проблем, которые существуют в области построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), работающих в жестких виброусловиях.
Перспективы развития интеллектуальных систем навигации и управления движением определяются достижениями в области построения интегрированных систем ориентации и навигации, основополагающим элементом которых является БИНС. Необходимость создания устойчивых к внешним воздействиям чувствительных элементов инерциальных систем ориентации и навигации привела к появлению микромеханических гироскопов и акселерометров, развивающихся в настоящее время бурными темпами. Однако в области определения параметров движения высокодинамичных объектов применение современных микросенсоров ограничено по причине их низкой вибро- и ударопрочности. Существует большое число высокоманевренных объектов, движение которых характеризуется сверхбольшими ускорениями (до десятков тысяч g), значительными углами крена и тангажа. В таких условиях современные микромеханические датчики не выдерживают свои точностные характеристики или вообще оказываются неработоспособными. Использование гироскопов, построенных на других принципах (кольцевой лазерный гироскоп, волоконно-оптический гироскоп, твердотельный волновой гироскоп), может быть ограничено в силу их массогабаритных характеристик. Недостатком всех упомянутых типов гироскопов является достаточно узкий динамический диапазон измеряемых угловых скоростей. Альтернативным решением в данном случае являются гироскопы и акселерометры, использующие эффекты молекулярной кинетики твердой среды. Исследования в данной области ведутся на протяжении последних нескольких лет и уже подтвердили не только потенциальную возможность создания таких датчиков, но и их перспективность на рынке.
Современная геополитическая обстановка и взятый курс на импортозамещение требует создания отечественных образцов устройств различного назначения. Особенно остро этот вопрос стоит в стратегически важных для развития и безопасности государства сферах.
В силу указанных выше причин актуальной является задача создания принципиально нового поколения твердотельных ударо- и виброустойчивых чувствительных элементов датчиков угловой скорости, не содержащих подвижных инерционных масс и элементов их подвесов.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка акустических принципов и технических решений для создания чувствительного элемента (ЧЭ) датчика угловой скорости (ДУС) на основе особенностей распространения объемных акустических волн круговой поляризации (АВКП) в твердых средах. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
-
на основе теоретического анализа оценить информативность характеристик волны для построения ЧЭ ДУС;
-
определить способы выявления информативных признаков, использующие особенности поляризации волн во вращающихся средах;
-
разработать принципы построения и конструкцию устройства, позволяющего возбуждать и оценивать АВКП;
-
разработать конструкцию датчика угловой скорости, построенного на основе особенностей распространения АВКП в твердом теле в условиях вращения;
-
провести экспериментальную проверку выявленных закономерностей и предлагаемых конструктивных решений.
Научная новизна работы определяется впервые полученными теоретическими и экспериментальными данными, позволяющими предложить концепцию построения ЧЭ ДУС на базе АВКП:
анализ характеристик акустических волн в условиях вращения звукопровода распространен на случай произвольного соотношения направления распространения волны и оси вращения звукопровода;
впервые показана возможность использования АВКП для выявления параметров углового движения звукопровода;
впервые показана возможность непосредственного возбуждения волн круговой поляризации (КП) с помощью пьезопластин на основе решения задачи распространения упругих колебаний в системе, содержащей пьезоактивные анизотропные слои;
впервые предложен принцип построения чувствительного элемента датчика угловой
скорости (гироскопа), основанный на использовании эффекта изменения фазовой скорости
акустических волн круговой поляризации во вращающемся твердотельном звукопроводе.
Научная новизна подтверждается полученными патентами. Положения, выносимые на защиту:
-
вращение твердой среды оказывает влияние на фазовую скорость АВКП;
-
относительное изменение скорости АВКП, распространяющейся вдоль оси вращения звукопровода, пропорционально угловой скорости вращения;
-
излучение АВКП обеспечивается преобразователем разработанной конструкции (пластинчатого типа с пьезопластинами сдвиговых колебаний скрещенных поляризаций), параметры которого определены с помощью метода, предложенного в диссертационной работе;
-
импульсно-фазовый метод является оптимальным способом измерения информативного сигнала от чувствительного элемента датчика угловой скорости на базе АВКП
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
разработаны принцип излучения и конструкция пьезоэлектрического преобразователя, позволяющего непосредственно излучать акустические волны круговой поляризации в твердую среду;
предложен принцип построения ультразвукового датчика угловой скорости на акустических волнах круговой поляризации;
работа служит основой дальнейших опытов и экспериментов по оценке параметров ДУС и акустических волн круговой поляризации.
Реализация и внедрение результатов работы:
Полученные теоретические положения, связанные с особенностями распространения акустических волн в условиях наличия вращения, а также основанные на них предложенные принципы конструктивной реализации твердотельных датчиков движения, внедрены в учебном процессе в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» при обучении магистров по дисциплине «Акустоэлектроника» магистерской программы по профилю «Акустические приборы и системы».
Результаты работы, выполненной в ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»), использованы в научно-технических отчетах в рамках реализации соглашения № 14-19-00693 от 23.06.2014 Российского научного фонда и поддержаны персональным грантом № 1605ГУ1/2014 от «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям).
Результаты диссертационной работы внедрены и использованы в научной и производственной коммерческой деятельности ООО «НКД».
Апробация
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
-
65, 66, 67, 68, 69 научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012–2016 гг., Санкт-Петербург, Россия.
-
VI конференции молодых специалистов ОАО «Авангард», 2013 г, Санкт-Петербург, Россия.
-
XX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 27.05.2013, Санкт-Петербург.
-
Всероссийская конференция XXVII сессии Российского акустического общества и сессии Научного Совета РАН по акустике, 16-18.04.2014, Санкт-Петербург, Россия.
-
Международная конференция «Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves, and Device Applications», 30.10.14-02.11.2014, Пекин, Китай.
-
Международная научно-техническая конференция «Шляндинские чтения – 2014» г., 10-12.11.2014, Пенза, Россия.
-
XVIII конференция молодых ученых с международным участием «Навигация и управление движением», 15-18 марта 2016 г., Санкт-Петербург, Россия.
Публикации
Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 18 публикациях, среди которых 6 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 1 статья в издании, входящем в перечень Scopus, 2 патента РФ на изобретение, 9 статей – в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка основной использованной литературы; изложена на 122 страницах машинописного текста и содержит 40 рисунков, 2 таблицы, 48 наименований отечественных и зарубежных источников литературы.
Развитие концепций построения ультразвуковых датчиков угловой скорости
Впервые подробный математический анализ данного явления для рэлеевских волн, распространяющихся в твердом изотропном теле, дано в [4]. В работе аналитически получено общее уравнение движения, в котором учтено влияние ускорения Кориолиса и центростремительного ускорения на распространение релеевской волны для случая изотропной твердой среды. Автором предложено использовать выявленные эффекты для определения угловой скорости. Также была получена связь между изменением скорости ПАВ, ее частотой и частотой вращения звукопровода. В результате была предложена конструкция датчика угловой скорости на ПАВ, которая, однако, не была реализована. В дальнейшем, была показана иная возможность использования ПАВ в датчиках движения [5]. Идея автора заключалась в использовании системы распределенных масс, расположенных в пучностях стоячей ПАВ, которые вызывали появление вторичной волны при вращении материала подложки. Данная схема была реализована в работе [6], однако практического применения она не получила. Принципиально новые исследования, касающиеся выявления информации о наличии вращения с использованием ПАВ, проводились на кафедре электроакустики и ультразвуковой техники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. Ульянова (Ленина), которые показали, что в анизотропных материалах могут существовать такие направления распространения ПАВ, в которых возмущения среды не сопровождаются волной электрического потенциала [7]. Данное свойство было положено в основу макета датчика угловой скорости. Тем же коллективом были предложены и описаны другие способы выявления вращения, в частности, за счет преобразования одних типов поверхностных волн в другие под воздействием вращения.
В последние годы возрос интерес к реализации сенсора движения, в основу работы которого положена зависимость скорости ПАВ от вращения звукопровода, описанная в [4]. Это подтверждается появлением публикаций, в частности, [8, 9], в которых сообщается об успешной реализации гироскопического устройства, основанного на указанном эффекте.
Таким образом, вопрос выявления информационной составляющей сигнала может решаться следующими способами: 1) путем регистрации вторичных ПАВ, появившихся в результате рассеяния на системе распределенных масс; 2) путем регистрации изменения скорости ПАВ; 3) с использованием неактивных направлений в анизотропных средах; 4) иными, связанными с преобразованием одних типов волн в другие. Продолжение исследований в данном направлении описано в работах [10, 11, 12], где рассмотрен случай распространения ПАВ в изотропной твердой среде под воздействием вращения.
В работе [13] рассматривается задача о распространении плоских гармонических волн в равномерно вращающемся твердом пространстве. При этом проанализированы случаи, когда волны распространяются коллинеарно оси вращения и ортогонально ей. Получены выражения, показывающие связь фазовой скорости акустической волны с угловой скоростью движения через параметр co/Q , представляющий собой нормированную частоту.
Наиболее значительной с точки зрения развития теории распространения акустических волн в условиях вращения является работа [14], в которой дан общий анализ гироскопических эффектов, наблюдаемых в упругих волнах в диэлектрических кристаллах с низкими уровнями потерь (аналоги эффектов Саньяка и Ферми для световых волн), приведены общие уравнения акустики вращающейся анизотропной среды. Теоретически показано наличие эффекта вращения плоскости поляризации сдвиговой линейно-поляризованной акустической волны при ее распространении вдоль акустической оси кристалла, совпадающей с осью вращения. Приведен принцип построения гироскопического датчика на основе этого эффекта, реализующий режим бегущей волны или резонансный режим работы, а также показана принципиальная возможность производства приборов данного класса.
В работе [15] рассмотрен частный случай распространения объемной акустической волны в направлении, перпендикулярном оси вращения. Автор связал изменение направления смещения колебаний частиц в волне со сменой направления распространения волнового фронта, а, следовательно, и волнового вектора.
Тот же частный случай, но для поверхностных акустических волн, рассмотрен в работах [16, 17] применительно к распространению волн в изотропном твердом полупространстве, а также в работах [18, 19, 20, 21] для частных случаев орторомбического, моноклинного, а также кристалла с тетрагональной симметрией, соответственно.
В статье [22] авторами рассмотрено влияние вращения на фазовые и групповые скорости ОАВ и ПАВ, распространяющихся в упругом полупространстве под углом к оси вращения, для общего случая произвольного угла, применительно к использованию полученных данных в неразрушающем контроле.
Коллективом кафедры электроакустики и ультразвуковой техники Санкт Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им.
Ульянова (Ленина) был проведен анализ ситуации распространения ОАВ вдоль оси вращения среды [23]. В качестве оси может быть выбрано любое направление изотропной твердой среды, либо акустической оси кристалла (например, кристаллографические оси кристалла кубической сингонии). В результате, был получен закон, позволяющий определять скорость вращения звукопровода по повороту вектора поляризации, который, в свою очередь, может быть представлен как возникновение поперечной волны с ортогональной поляризацией, амплитуда которой будет характеризовать скорость вращения. На основе полученных закономерностей были показаны способы реализации конструкции чувствительных элементов, позволяющих выделять ортогональную моду колебании, появляющуюся в условиях вращения.
Параметры распространения акустических волн в условиях ортогонального вращения
В находящейся в состоянии покоя среде в соответствии с (2.4) скорости обеих базовых волн равны. Суммарная линейно поляризованная волна неизменно распространяется в звукопроводе.
При распространении чисто сдвиговой волны во вращающейся среде из-за возникающей разницы скоростей базовых компонент характер движения частиц результирующих колебаний будет меняться. Анализ выражений (2.12) и (2.14) показывает, что фазы колебаний проекций амплитуд смещения на оси Х2 и Хъ по мере распространения волны сдвигаются друг относительно друга. Линейный характер суммарных колебаний при этом сохранится, однако направление смещения частиц будет непрерывно меняться, то есть возникает вращение направления поляризации упругой волны. При этом можно видеть, что обе компоненты распространяются со скоростью Vt, то есть фазовая скорость суммарной линейно поляризованной сдвиговой волны остается неизменной, независимо от наличия вращения среды. Определим угол поворота направления поляризации волны р по рисунку 2.2. A у у Рисунок 2.2 – Угол поворота вектора поляризации Здесь Ау =20 cos(х — W\А=2tn sin(х — W) Ъ амплитуды смещений вдоль соответствующих координатных осей. Тангенс угла поворота направления поляризации волны: gP = sin(х W) А у cos(х&W) V Vt Тогда: со Q Q p = х = х— xQ Откуда окончательно получаем: (2.15) P = TQ Здесь т - время прохождения волной расстояния X .
Таким образом, при распространении сдвиговой волны вдоль оси вращения, скорость распространения волны не зависит от скорости вращения звукопровода. Линейный характер поляризации сохраняется, однако направление вектора поляризации будет отличаться от исходного на величину Р пропорционально скорости вращения. 2.2 Распространение ортогонально оси вращения
В данном подразделе рассматриваются особенности распространения волн при вращении звукопровода перпендикулярно оси распространения Х1, вокруг оси Х2 (рис. 2.3.): П = П2 0 (П1=П3=0 ) или W = W2 0 (Ж1=Ж3=0 ). Для случая вращения звукопровода вокруг оси Х3 все выводы аналогичны. распространяющейся поперечной волне с вектором смещения, совпадающим с осью вращения. Колебания частиц происходят вдоль оси Х2, т.к. в уравнение (2.16) входит компонента вектора смещения 02. На эту волну вращение не оказывает влияния, т.к. в ее описании отсутствует зависимость от относительной скорости вращения W, а её скорость равна Vt -фазовой скорости при отсутствии вращения. Система (2.17) описывает волны, характеристики которых зависят от W.
Учитывая, что 0 = 0 рt, где рi - направляющие косинусы вектора смещения, система (2.17) может быть представлена как: {С 11-pV2-pV2W2)P1 + j2pV2Wp3=0 \-j2pV 2 Wp1+С 44-pV 2-pV 2 W 2)p3=0 Последняя система уравнений позволяет определить значения скоростей распространения и направления вектора поляризации колебаний частиц в волне. Система уравнений (2.18) - однородная, соответственно, нетривиальные решения могут существовать только при условии равенства нулю определителя. Приравнивая к нулю определитель системы, могут быть найдены фазовые скорости V: (С 11-pV2(1 + W2)) j2pV2W
Здесь V1, V2 – скорости двух волн, удовлетворяющих (2.19). Поскольку они получаются при равенстве нулю определителя системы (2.18), то уравнения системы равнозначны. Таким образом, для нахождения отношения компонент вектора смещения можно использовать любое из уравнений системы.
Подставляя найденные значения скоростей в первое из уравнений системы (2.18), определим отношение компонент вектора смещения:
Как видно из уравнений (2.9 - 2.13), скорости распространения и характер движения частиц в волне зависят от относительной частоты вращения звукопровода. Мнимость в отношении (2.21) говорит о фазовом сдвиге между компонентами вектора смещения по соответствующим осям на четверть периода колебаний. Колебания частиц в таких волнах будут носить эллиптический характер. Величина, определяемая выражением (2.21), представляет собой отношение осей эллипсов поляризации соответствующих волн или иначе носит название коэффициента сжатия эллипса (рис. 2.4). б – квазипродольная волна Так как в этом случае траектория движений частиц среды не совпадает ни с осью распространения, ни с осью ей перпендикулярной, то в дальнейшем такие волны будем называть квазипоперечными (V2 =Vqt, рис. 2.4, а) и квазипродольными (V1 =Vql, рис. 2.4, б). Таким образом, при вращении могут распространяться следующие волны: поперечная, с вектором смещения/ , совпадающим с осью вращения (рис. 2.5, а) и скоростью распространения = С44/р , и две волны эллиптических поляризаций - квазипродольная (Vql, рис. 2.5, б) и квазипоперечная (Vqt, рис. 2.5, в), параметры которых зависят от относительной частоты вращения звукопровода. Рисунок 2.5 – Траектории движения частиц в анализируемых волнах Выражения (2.19 – 2.21) не позволяют аналитически найти непосредственно функциональные зависимости параметров волн от W, поэтому дальнейший анализ удобно проводить численными методами для конкретного материала среды распространения. Критериями для выбора среды являются малые потери на поглощение и рассеяние на высоких частотах. Это связано с необходимостью иметь малые поперечные размеры звукопровода. Исходя из вышеперечисленных свойств, в качестве материала звукопровода был выбран плавленый кварц со следующими параметрами: плотность р = 2.2 103 кг/м3, скорость продольной волны при отсутствии вращения Vl = 5.96 103 м/c, скорость поперечной при отсутствии вращения Vt = 3.76 103 м/c. Данный материал обладает малым поглощением и широко используется для построения акустоэлектронных устройств.
Излучение акустической волны круговой поляризации на основе активных четвертьволновых слоев
Рассмотрим плоскую гармоническую сдвиговую акустическую волну, распространяющуюся в полубезграничном изотропном пространстве. По мере ее распространения, амплитуда смещения в волне меняется по закону: i = Z,0 Sm(t-kr+8) (3.1) где 8 - начальная фаза, 0- амплитуда, со круговая частота, t - время, к волновой вектор, г - координата точки. В связи с тем, что волна сдвиговая, и колебательный процесс имеет место в — изотропной среде, вектор смещения перпендикулярен вектору к . В [36] рассматриваются условия возникновения и излучения циркулярно поляризованной электромагнитной волны. В связи с общностью математического описания колебательного процесса, по аналогии рассмотрим суперпозицию двух взаимно перпендикулярных проекций вектора смещения \ акустической волны, имеющих постоянную разность фаз. Для определённости считаем, что акустическая волна распространяется в направлении Z, а проекции вектора лежат в плоскости IT (рис. 3.1). Тогда:
Амплитуды 10 и 20 предполагаются положительными. Перенося первое слагаемое из правой части (3.3) в левую сторону, возводя обе части в квадрат и деля их на 20 , после группировки членов получаем уравнение: 2 + 2
В зависимости от разности фаз уравнение (3.4) описывает различные кривые (рис. 3.2).
Проекции суммарной акустической волны на плоскость, перпендикулярную направлению распространения излучения, при различных разностях фаз: в суммарной волне в этом случае представляет собой окружность. В теории электромагнетизма волны, конец вектора напряженности электрического поля которых по мере распространения описывает в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, окружность, называются циркулярно поляризованными. Другое название - излучение, поляризованное по кругу, или излучение с круговой поляризацией. По аналогии в области упругих колебаний волны, траектория движения частиц в которых представляет собой окружность, можно называть акустическими волнами круговой поляризации или циркулярно поляризованными акустическими волнами. В этом случае проекция траектории конца вектора на плоскость, перпендикулярную лучу, представляет собой окружность. В зависимости от того, положительная или отрицательная разность фаз существует между ортогональными волнами, результирующие колебания будут иметь левую или правую циркулярную поляризацию, то есть частицы среды в волне будут колебаться либо против часовой стрелки, либо по часовой стрелке при сохранении начала координат наблюдателя.
Линейно поляризованное излучение - другой предельный случай эллиптически поляризованной волны. В этом случае разность фаз между двумя проекциями вектора составляет пп, где п - целое число. Проекция траектории конца вектора на плоскость, перпендикулярную лучу, представляет собой прямую линию (рисунок 3.2, а, д). Плоскость, в которой находится вектор , называется плоскостью поляризации. Такая волна также может быть названа плоско поляризованной. Отметим, что излучение является линейно поляризованным также и в том случае, когда одна из проекций вектора равна нулю. В этом случае плоскость поляризации включает в себя одну из осей (Х или Г). Суперпозиция поляризованных волн
Уравнения (3.1 - 3.4) показывают, что суперпозиция двух линейно-поляризованных волн в зависимости от сдвига фаз между ними приводит к появлению плоско поляризованной, циркулярно поляризованной или эллиптически поляризованной волны.
Рассмотрим практически важный случай суперпозиции двух циркулярно поляризованных волн одной и той же частоты, распространяющихся в одном направлении. Считаем, что разность фаз между двумя волнами равна нулю. Для определённости положим, что первая волна поляризована по правому кругу, а вторая по левому. Если же обе волны циркулярно-поляризованы одинаково, то получится циркулярно поляризованное излучение большей амплитуды. Запишем для первой волны: L(z,t) = E10-sin(o)t-kz) (3.5) для второй волны: E2(z,t) = E20-sin(at-kz) (3.6) Тогда: x = S1 + 2x = (S10 - 20 ) sin(« Ь) y = 1y+ 2y = ( 10+ 20)-cos(G)t-kz) ( .7) Введём замены 10- 20=а, 10 + 20 = Z тогда второе уравнение (3.7) будет выглядеть так: Е, =b-cos(co?-Az). Возведём обе части в квадрат и перепишем его, используя первое соотношение (3.7) и формулы сложения квадратов синуса и косинуса: Й = ь2 р2 1 _ х (3.8) Разделив обе части на и перенеся второе слагаемое в левую часть, получим: Е2 Е,2 2 + 2 = 1 (3.9) Уравнение (3.9) представляет собой уравнение эллипса. Таким образом, сложение двух вращающихся в противоположные стороны циркулярных поляризаций разной амплитуды даёт эллиптически поляризованное излучение. В частном случае, когда Е,10 = Е,20, остается одна компонента вектора , т.е. поляризация становится линейной. Иными словами, линейно поляризованное излучение может быть представлено как результат сложения двух циркулярно поляризованных волн с правой и левой поляризацией.
Создание макетного образца датчика угловой скорости
Генератор высокочастотных сигналов в импульсном режиме формирует гармонический электрический сигнал на резонансной частоте пьезоэлектрического преобразователя, который поступает на электроды. Согласно теоретическим расчетам, на внешних поверхностях преобразователя формируются две акустические волны круговой поляризации, которые при наличии акустического контакта распространяются в изотропных звукопроводах во взаимно противоположные стороны. В связи с тем, что круговые колебания являются суперпозицией чисто сдвиговых, они могут быть зарегистрированы преобразователем с линейной поляризацией. Поэтому прием волны осуществлялся со свободного торца любого звукопровода пьезоэлектрическим преобразователем сдвиговых волн через буферный стержень. Акустический контакт звукопровода и буферного стержня может быть создан какой-либо вязкой жидкостью, например, эпоксидной смолой без отвердителя или с помощью мёда. Амплитуда принимаемой волны может определяться по показаниям осциллографа.
Для выявления характера колебания частиц в принимаемой волне в процессе эксперимента ориентацию приемной пластины необходимо менять, вращая ее вокруг оси, вдоль которой распространяются волны. При этом будет поворачиваться направление чувствительности к сдвиговым колебаниям приемной пластины. Отсутствие зависимости амплитуды принятого сигнала от углового положения приемника является свидетельством того, что принимаемая акустическая волна является волной с круговой поляризацией (рис. 3.10, а,б). При этом в случае, когда принимаемая волна имеет линейную поляризацию, снятое угловое распределение амплитуд будет представлять собой «восьмерку» (рис. 3.10, д, е). Прием эллиптически поляризованной волны даст промежуточную картину (рис. 3.10, в,г).
Траектории движения частицы в принимаемой волне (а, в, д) ч а) в) д) Угловое распределение амплитуды в случае приема линейно поляризованной пластиной (б, г, е) I 1 ( ) I С б) г ) - Z X - Пояснение к характеру распределения амплитуд в случае приема волны линейно поляризованной пластиной Для излучения акустических волн круговой поляризации было предложено использовать две идентичные пьезоэлектрические пластины, находящиеся в акустическом контакте, причем угол между направлениями поляризации излучаемых волн должен составлять у . При этом необходимая разность фаз в четверть периода между ортогональными колебаниями достигается за счет толщин пьезоэлементов, которые должны быть близки к величине У4 на рабочей частоте, где X - длина волны ультразвука в материале пьезопластин. Внешние грани пьезопластин должны быть нагружены на идентичные с точки зрения акустических сопротивлений звукопроводы.
В качестве материала излучающих пластин использовался пьезокварц с физико-механическими свойствами, использованными в расчетах главы III.
Были изготовлены 2 идентичные пластины из кристаллического кварца Y-среза толщиной 515 + 5 мкм. Необходимая толщина достигалась сошлифовыванием пластин, которые предварительно были приклеены на плоско параллельную планшайбу. Для создания металлических электродов на поверхностях пьезопластин была проведена процедура металлизации методом химического осаждения серебра. После металлизации резонансная частота каждой пластины составила 3,8 МГц. Экспериментально были определены направления, вдоль которых пластинки совершают сдвиговые колебания, после чего они были совмещены так, чтобы угол между такими направлениями составил у , и склеены с помощью эпоксидной смолы с отвердителем. Минимизация клеевого слоя достигалась притиранием склеиваемых поверхностей друг к другу и длительным прижимом под давлением.
Были изготовлены 2 идентичных цилиндрических звукопровода из плавленого кварца с плоско параллельными торцами. Физико-механические свойства плавленого кварца близки к использовавшимся в расчетах главы III. Отличие в длинах звукопроводов составило менее 5 мкм. На каждый цилиндр были нанесены углубления - канавки, глубиной 1-2 мм, наличие которых способствует уменьшению переотражения звука в звукопроводе и, как следствие, увеличению соотношения «сигнал/помеха».
Звукопроводы были твердо приклеены к обоим внешним торцам преобразователя волн круговой поляризации посредством эпоксидной смолы с отвердителем. Таким образом устройство приняло вид, представленный на рис. 3.11
Фотография преобразователя АВКП со звукопроводами Приемная линейно поляризованная пластина с буферным стержнем располагалась на специальной механической системе, позволяющей обеспечить постоянную силу прижима к звукопроводу, в котором распространяются акустические волны круговой поляризации. Это условие необходимо для обеспечения равной толщины жидкого контактного слоя при изменении положения приемной пластины, которая влияет на амплитуду принимаемого сигнала.
Установка для испытания преобразователя акустических волн круговой поляризации Принятые упругие колебания при помощи приемной пьезопластины трансформировались в электрические, которые далее через высокочастотный разъем по коаксиальному кабелю передавались на вход осциллографа. По экрану осциллографа определялся максимум выбранной полуволны
В ходе эксперимента определялась зависимость амплитуды принятого сигнала от угла поворота приемной пьезопластины в диапазоне углов 0360 по отношению к исходному направлению ориентации, принятому за ноль, на внешних торцах обоих звукопроводов. Излучение велось на частотах 1.8–2.2 МГц в квазинепрерывном режиме. Для обеспечения акустического контакта между торцом звукопровода и буферным стержнем использовалась эпоксидная смола без отвердителя. Нормированные к максимальной принятой амплитуде результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 3.13.
Угловое распределение амплитуды принятого сигнала при излучении на частотах: а – 1.8 МГц; б – 1.9 МГц; в – 2.0 МГц; г – 2.2 МГц В соответствии с выбранными параметрами преобразователя, излучение акустической волны круговой поляризации ожидалось вблизи частоты 2 МГц. На рис. 3.13 представлено нормированное угловое распределение амплитуды принятой волны. Можно видеть, что с изменением частоты колебаний меняется их форма и амплитуда. Наиболее близкая к круговой траектория получена на частоте 1.9 МГц, что согласуется с теоретическими расчетами.