RU2368099C1 - Hydrophone on surface acoustic waves - Google Patents

Hydrophone on surface acoustic waves Download PDF

Info

Publication number
RU2368099C1
RU2368099C1 RU2008100808/28A RU2008100808A RU2368099C1 RU 2368099 C1 RU2368099 C1 RU 2368099C1 RU 2008100808/28 A RU2008100808/28 A RU 2008100808/28A RU 2008100808 A RU2008100808 A RU 2008100808A RU 2368099 C1 RU2368099 C1 RU 2368099C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
saw
hydrophone
piezoelectric plate
surfactant
metal screen
Prior art date
Application number
RU2008100808/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008100808A (en
Inventor
Михаил Юрьевич Двоешерстов (RU)
Михаил Юрьевич Двоешерстов
Original Assignee
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-производственное объединение "ЭРКОН"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-производственное объединение "ЭРКОН" filed Critical ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-производственное объединение "ЭРКОН"
Priority to RU2008100808/28A priority Critical patent/RU2368099C1/en
Publication of RU2008100808A publication Critical patent/RU2008100808A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2368099C1 publication Critical patent/RU2368099C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

FIELD: physics, acoustics.
SUBSTANCE: invention is related to acoustoelectronic devices on surface acoustic waves (SAW) and may be used as receiver of hydroacoustic signals that propagate in liquid medium (hydrophone) preferably to create wireless remote hydroacoustic systems of buoy type with transfer of information along radio channel with frequency modulation of radio signal carrier, and also as static pressure sensor on SAW. Hydrophone on surface acoustic waves comprises single-crystal piezoelectric plate, on surface of which there are input and output interdigital transducers (IDT) to realise delay line on SAW (resonator on SAW); amplifier connected between two IDT for realisation of generator on SAW, and also external membrane connected via stem with metal screen located above piezoelectric plate surface. Hydrophone is characterised by the fact that distance h between metal screen that brings electric disturbances, and surface of piezoelectric plate less than wave length λ.
EFFECT: higher sensitivity and simplification of design.
10 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ), более конкретно - к гидрофонам и может быть использовано в качестве приемника гидроакустического сигнала, распространяющегося в жидкой среде для его дальнейшей радиотехнической обработки.The invention relates to devices for surface acoustic waves (SAW), and more particularly to hydrophones and can be used as a receiver of a hydroacoustic signal propagating in a liquid medium for its further radio-technical processing.

Гидрофоны предназначены для приема и преобразования сигналов переменных акустических давлений, распространяющихся в воде, в электрический сигнал. Традиционно эти устройства реализуются на основе пьезокерамических преобразователей, работающих на прямом пьезоэффекте.Hydrophones are designed to receive and convert signals of variable acoustic pressures propagating in water into an electrical signal. Traditionally, these devices are implemented on the basis of piezoelectric transducers operating on a direct piezoelectric effect.

Известен целый ряд гидрофонов [1-2] на поверхностных акустических волнах (ПАВ-гидрофон), служащих для приема гидроакустического сигнала. При этом описанные конструкции ПАВ-гидрофонов основаны на принципе работы датчика давления на ПАВ [3].There are a number of hydrophones [1-2] on surface acoustic waves (surfactant-hydrophone), which are used to receive a hydroacoustic signal. Moreover, the described structures of surfactant hydrophones are based on the principle of operation of a pressure sensor on a surfactant [3].

На пьезокристалле с нанесенными на его поверхность встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) создается генератор на ПАВ на основе либо линии задержки на ПАВ, либо резонатора на ПАВ. При этом имеется мембрана, которая под действием гидроакустического давления (сигнала), распространяющегося в воде, механически деформируется в соответствии с законом изменения динамического давления в воде. Мембрана механически соединена с поверхностью пьезозвукопровода, по которому распространяется ПАВ. В результате непосредственного механического давления мембраны на пьезозвукопровод несущая частота f реализованного генератора на ПАВ будет изменяться. При этом частота модуляции генератора равняется частоте гидроакустического сигнала. Девиация частоты Δf генератора на ПАВ, повторяющая закон изменения внешнего динамического давления (гидроакустического сигнала), осуществляется за счет изменения скорости ПАВ, распространяющейся в пьезопластине. При этом изменение скорости ПАВ происходит за счет механической деформации пьезопластины. Преобразование внешнего динамического давления в механические деформации пьезопластины осуществляется в два этапа: сначала с помощью дискретного упругого элемента (мембраны) давление преобразуется в перемещение либо в усилие, затем это давление прикладывается к элементу на ПАВ.On a piezocrystal with interdigital transducers (IDTs) deposited on its surface, a SAW generator is created on the basis of either a delay line on a SAW or a resonator on a SAW. At the same time, there is a membrane, which under the influence of hydroacoustic pressure (signal) propagating in water, is mechanically deformed in accordance with the law of change of dynamic pressure in water. The membrane is mechanically connected to the surface of the piezoelectric conduit through which the surfactant propagates. As a result of the direct mechanical pressure of the membrane on the piezoelectric conductor, the carrier frequency f of the realized SAW generator will change. In this case, the modulation frequency of the generator is equal to the frequency of the hydroacoustic signal. The deviation of the frequency Δf of the generator on the surfactant, repeating the law of change of the external dynamic pressure (hydroacoustic signal), is carried out by changing the speed of the surfactant propagating in the piezoelectric plate. In this case, a change in the surfactant velocity occurs due to the mechanical deformation of the piezoelectric plate. The conversion of external dynamic pressure into mechanical deformation of a piezoelectric plate is carried out in two stages: first, using a discrete elastic element (membrane), the pressure is converted into displacement or force, then this pressure is applied to the element on the surfactant.

Одна из конструкций ПАВ гидрофона реализована по схеме датчика давления с изгибом, опирающегося по краям стержня (фиг.1а). В частности, в работе [1] описан ПАВ гидрофон, где в качестве ПАВ элемента служили линии задержки из пьезопластины ниобата лития LiNbO3 с частотой 45 МГц, либо ПАВ резонаторы из пьезопластины ST-кварца с частотой около 80 МГц и добротностью 2.5·104. Размеры пьезопластин варьировались в пределах от 25 до 75 мм. Датчик строился по автогенераторной схеме. На фиг.1а: 1 - пьезопластина, 2 - ВШП, 3 - усилитель, 4 - корпус, 5 - внешнее давление, 6 - мембрана.One of the designs of the surfactant hydrophone is implemented according to the scheme of the pressure sensor with a bend, resting on the edges of the rod (figa). In particular, a surfactant hydrophone was described in [1], where the delay line from a piezoelectric plate of lithium niobate LiNbO 3 with a frequency of 45 MHz or surfactant resonators from a piezoelectric plate of ST-quartz with a frequency of about 80 MHz and a quality factor of 2.5 · 10 4 were used as a SAW element. . The sizes of the piezoelectric plates ranged from 25 to 75 mm. The sensor was built according to a self-generating scheme. On figa: 1 - piezoelectric plate, 2 - IDT, 3 - amplifier, 4 - housing, 5 - external pressure, 6 - membrane.

Как показали оценки, при приеме звуковых давлений в воде девиация частоты на выходе гидрофона мала: ~50 Гц, Δf/f~10-6, что создает проблемы для последующей демодуляции и обработки сигнала.As estimates showed, when receiving sound pressures in water, the frequency deviation at the hydrophone output is small: ~ 50 Hz, Δf / f ~ 10 -6 , which creates problems for subsequent demodulation and signal processing.

В работе [2] предложен вариант гидрофона по схеме фиг.1б с двумя резонаторами на кварцевой пьезопластине ST-среза диаметром 13 мм и толщиной 0.5 мм. Резонаторы имеют частоты, близкие к 62 МГц, и добротность 2×104. Давление на край кварцевого диска, закрепленного консольно, подводится через металлический стержень от тонкой металлической мембраны. Датчик выполнен по дифференциальной автогенераторной схеме. На фиг.1б: 1 - пьезопластина, 2 - ВШП, 3 - усилители, 4 - корпус, 5 - внешнее давление, 6 - мембрана.In [2], a hydrophone variant was proposed according to the scheme of FIG. 1b with two resonators on a ST-section quartz piezoelectric plate with a diameter of 13 mm and a thickness of 0.5 mm. Resonators have frequencies close to 62 MHz and a quality factor of 2 × 10 4 . The pressure on the edge of the quartz disk mounted cantilever is supplied through a metal rod from a thin metal membrane. The sensor is made according to a differential self-generating circuit. On figb: 1 - piezoelectric plate, 2 - IDT, 3 - amplifiers, 4 - housing, 5 - external pressure, 6 - membrane.

Недостатком таких конструкций прежде всего является большая неравномерность амплитудно-частотной характеристики, что связано с механическими резонансами самой конструкции.The disadvantage of such structures is primarily the large non-uniformity of the amplitude-frequency characteristics, which is associated with mechanical resonances of the structure itself.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности признаков является датчик давления на ПАВ, принятый за прототип [4]. На фиг.2 показана конструкция такого датчика.The closest to the claimed technical solution for the totality of signs is a pressure sensor for surfactants, adopted as a prototype [4]. Figure 2 shows the design of such a sensor.

Генератор на ПАВ применяется в качестве датчика давления. ПАВ генератор реализован на линии задержки на ПАВ, которая включает пьезопластину 1, на которой нанесены два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) 2, служащих для возбуждения и приема ПАВ и усилитель 3, включенный между ВШП. С одной стороны пьзопластина одноконсольно механически закреплена устройством 4, а с другой стороны на пьезопластину прикладывается внешнее механическое давление 5. При воздействии механического давления 5 на пьезопластину 1 резонансная частота f генератора на ПАВ будет изменяться на величину Δf за счет механической деформации пьезопластины. При этом изменение частоты генератора Δf будет пропорционально величине внешнего механического давления.A surfactant generator is used as a pressure sensor. The SAW generator is implemented on the delay line at the SAW, which includes a piezoelectric plate 1, on which two interdigital transducers (IDT) 2 are applied, which serve to excite and receive the SAW and an amplifier 3 connected between the IDT. On the one hand, the piezoelectric plate is mechanically fixed one-console mechanically by device 4, and on the other hand, external mechanical pressure 5 is applied to the piezoelectric plate 5. When the pressure 5 is applied to the piezoelectric plate 1, the resonant frequency of the generator on the surfactant will change by Δf due to the mechanical deformation of the piezoelectric plate. In this case, the change in the generator frequency Δf will be proportional to the value of the external mechanical pressure.

Недостатком прототипа является его низкая чувствительность. Относительное изменение частоты генератора на ПАВ составляет: Δf/f~10-6 и, как следствие, чувствительность такого датчика давления недостаточна высока.The disadvantage of the prototype is its low sensitivity. The relative change in the frequency of the generator at the surfactant is: Δf / f ~ 10 -6 and, as a result, the sensitivity of such a pressure sensor is not high enough.

Задачей изобретения является повышение чувствительности гидрофона на поверхностных акустических волнах, а также упрощение его конструкции.The objective of the invention is to increase the sensitivity of the hydrophone on surface acoustic waves, as well as simplifying its design.

Поставленная задача реализуется тем, что в гидрофоне на поверхностных акустических волнах, содержащем монокристаллическую пьезопластину, на поверхности которой расположены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи (ВШП) для реализации линии задержки на ПАВ (резонатора на ПАВ); усилитель, включенный между ВШП для реализации генератора на ПАВ, а также внешнюю мембрану, соединенную через шток с закорачивающим металлическим экраном, расположенным над поверхностью пьезопластины, расстояние h между экраном, вносящим электрические возмущения, и поверхностью пьезопластины меньше длины волны λ.The task is realized by the fact that in a hydrophone on surface acoustic waves containing a single-crystal piezoelectric plate, on the surface of which there are input and output interdigital transducers (IDT) for implementing a delay line to a SAW (resonator to SAW); an amplifier connected between IDT to realize a surfactant generator, as well as an external membrane connected through a rod with a short-circuiting metal screen located above the surface of the piezoelectric plate, the distance h between the screen introducing electrical disturbances and the surface of the piezoelectric plate is less than the wavelength λ.

Техническим результатом является повышение чувствительности и упрощение конструкции гидрофона на ПАВ, что позволяет использовать его в качестве гидрофона при создании высокоэффективных беспроводных дистанционных гидроакустических систем буйкового типа с передачей информации по радиоканалу с частотной модуляцией несущей радиосигнала либо в качестве датчика статического давления.The technical result is to increase the sensitivity and simplify the design of a hydrophone on a surfactant, which allows it to be used as a hydrophone when creating high-performance buoy type wireless remote sonar systems with information transfer via a radio channel with frequency modulation of a radio signal carrier or as a static pressure sensor.

На фиг.3 показана конструкция гидрофона. ПАВ гидрофон состоит из пьезопластины 1 с нанесенными на ней встречно-штыревыми преобразователями 2, служащими для возбуждения и приема ПАВ; усилителя 3, включенного между двумя ВШП для реализации ПАВ генератора, и металлического экрана 4, расположенного над поверхностью пьезопластины (расстояние h между экраном и пьезопластиной меньше длины волны λ), соединенного через шток 5 с внешней мембраной 6, воспринимающей гидроакустический сигнал 7. Генератор на ПАВ, содержащий пьезопластину 1 с нанесенными на ее поверхность двумя ВШП 2 и усилитель 3 реализован по схеме, показанной на фиг.4.Figure 3 shows the design of the hydrophone. Surfactant hydrophone consists of a piezoelectric plate 1 with interdigital transducers 2 applied on it, which serve to excite and receive surfactants; an amplifier 3 connected between two IDTs to realize a SAW generator, and a metal screen 4 located above the surface of the piezoelectric plate (the distance h between the screen and the piezoelectric plate is less than the wavelength λ) connected through the rod 5 to an external membrane 6 receiving the hydroacoustic signal 7. The generator Surfactant containing piezoelectric plate 1 with two IDTs 2 applied on its surface and amplifier 3 is implemented according to the scheme shown in Fig. 4.

При этом экран в отличие от [4] не передает непосредственно механическое усилие на пьезопластину 1, а вносит электрические возмущения электрического поля, сопровождающего поверхностную акустическую волну, путем искажения пространственного распределения поля. За счет механических колебаний мембраны 6, обусловленных внешним гидродинамическим сигналом 7 эти колебания через шток 5 передаются на металлический экран 4, расположенный над поверхностью пьезопластины 1, в результате чего изменяется частота реализованного на этой пьезопластине генератора на ПАВ (фиг.4). При этом изменение частоты генератора пропорционально частоте внешнего гидроакустического сигнала.In this case, the screen, in contrast to [4], does not directly transmit mechanical force to the piezoelectric plate 1, but introduces electric perturbations of the electric field accompanying the surface acoustic wave by distorting the spatial distribution of the field. Due to the mechanical vibrations of the membrane 6 caused by an external hydrodynamic signal 7, these vibrations are transmitted through the rod 5 to a metal screen 4 located above the surface of the piezoelectric plate 1, as a result of which the frequency of the SAW generator implemented on this piezoelectric plate changes (Fig. 4). In this case, the change in the frequency of the generator is proportional to the frequency of the external hydroacoustic signal.

Потенциал и напряженность электрического поля во внешней области пространства вблизи поверхности кристалла уменьшаются до нуля на расстоянии порядка длины волны λ от поверхности пьезокристалла [5].The potential and electric field strength in the outer region of space near the crystal surface decrease to zero at a distance of the order of the wavelength λ from the surface of the piezocrystal [5].

Металлический экран, расположенный вблизи поверхности кристалла (расстояние h между экраном и поверхностью кристалла меньше длины волны λ), будет вносить электрические возмущения, связанные с искажением пространственного распределения электрического поля, сопровождающего поверхностную акустическую волну, что в свою очередь приведет к изменению скорости ПАВ, а значит и частоты реализованного генератора на ПАВ. При этом, чем больше величина напряженности электрического поля в том месте, куда помещен экран, тем более эффективно будет металлический экран воздействовать на скорость ПАВ.A metal screen located near the crystal surface (the distance h between the screen and the crystal surface is less than the wavelength λ) will introduce electrical disturbances associated with a distortion of the spatial distribution of the electric field accompanying the surface acoustic wave, which in turn will lead to a change in the velocity of the surfactant, and Means the frequency of the realized generator for SAW. Moreover, the greater the magnitude of the electric field in the place where the screen is placed, the more effectively the metal screen will affect the speed of the surfactant.

Одним из основных параметров ПАВ является коэффициент электромеханической связи: К2 = 2ΔV/V [5], где ΔV/V - относительное изменение скорости волны, обусловленное переходом к условию электрически закороченной (металлизированной) поверхности кристалла, ΔV=Vo-Vs, где Vo - скорость волны на открытой поверхности, Vs - скорость волны на закороченной поверхности. Чем больше величина К2, тем эффективнее происходит преобразование электрического поля в механические смещения в пьезоэлектрическом кристалле и, следовательно, тем эффективнее искажения пространственного распределения электрического поля металлическим экраном будут воздействовать на свойства распространяющейся ПАВ.One of the main parameters of the surfactant is the electromechanical coupling coefficient: K 2 = 2ΔV / V [5], where ΔV / V is the relative change in the wave velocity due to the transition to the condition of the electrically shortened (metallized) surface of the crystal, ΔV = V o -V s , where V o is the wave velocity on an open surface, V s is the wave velocity on a shorted surface. The larger the K 2 value, the more efficient is the conversion of the electric field to mechanical displacements in the piezoelectric crystal and, therefore, the more effective the distortion of the spatial distribution of the electric field by the metal screen will affect the properties of the propagating surfactant.

Известно [6], что электроакустические волны, распространяющиеся в тонких пьезопластинах (толщина Н пьезопластины сравнима с длиной волны λ), могут иметь значительно более высокий коэффициент электромеханической связи К2 (до 40-90%) по сравнению с волнами, распространяющимися в полубесконечной среде (до 5% в LiNbO3 и всего лишь около 0.1% в ST-X кварце).It is known [6] that electro-acoustic waves propagating in thin piezoelectric plates (the thickness H of the piezoelectric plate is comparable to the wavelength λ) can have a significantly higher coefficient of electromechanical coupling K 2 (up to 40-90%) compared with waves propagating in a semi-infinite medium (up to 5% in LiNbO 3 and only about 0.1% in ST-X quartz).

На фиг.5 представлены зависимости скорости V распространения электроакустической волны Лэмба и коэффициента электромеханической связи K2 от нормированной толщины пьезопластины Н/λ(кривые V1, k1- для XY-среза LiNbO3, V2, k2 - для XY-среза LiNbO3, V3, k3 - для XY-среза PKN, V4, k4 - для XY-среза LiTaO3). Как видно из фиг.5, величина К2 может достигать очень высоких значений. Например, для XY-среза LiNbO3 при толщине пластины Н=0.1λ величина К2=35%.Figure 5 shows the dependences of the propagation velocity V of the Lamb electro-acoustic wave and the electromechanical coupling coefficient K 2 on the normalized thickness of the piezoelectric plate N / λ (curves V1, k1 for the XY section of LiNbO 3 , V2, k2 for the XY section of LiNbO 3 , V3 , k3 - for the XY-cut PKN, V4, k4 - for the XY-cut LiTaO 3 ). As can be seen from figure 5, the value of K 2 can reach very high values. For example, for the XY section of LiNbO 3 at a plate thickness of H = 0.1λ, the value of K 2 = 35%.

Пусть, в частности, тонкий металлический экран, помещенный на расстоянии h от поверхности полубесконечного пьезокристалла, по которому распространяется поверхностная акустическая волна, имеет нулевой потенциал φ=0, а потенциал на поверхности пьезокристалла φ=φ0 (фиг.6).Let, in particular, a thin metal screen placed at a distance h from the surface of a semi-infinite piezocrystal, along which a surface acoustic wave propagates, has zero potential φ = 0, and the potential on the surface of the piezocrystal φ = φ 0 (Fig.6).

На фиг.7 показана рассчитанная для этих условий зависимость скорости Vh ПАВ, распространяющейся вдоль открытой поверхности пьезокристалла 128YX-LiNbO3, от h/λ.Figure 7 shows the dependence of the surfactant speed V h calculated for these conditions, propagating along the open surface of the 128YX-LiNbO 3 piezocrystal, on h / λ.

При h/λ→0 скорость ПАВ стремится к Vs=3.8709 км/с (скорость ПАВ вдоль закороченной поверхности), при h/λ>0.25 скорость ПАВ стремится к Vo=3.9789 км/с (скорость ПАВ вдоль открытой поверхности без экрана). Эта зависимость может быть использована для восприятия внешнего давления в ПАВ гидрофоне.For h / λ → 0, the surfactant velocity tends to V s = 3.8709 km / s (the surfactant velocity along a shorted surface), for h / λ> 0.25, the surfactant velocity tends to Vo = 3.9789 km / s (the surfactant velocity along an open surface without a screen) . This dependence can be used to perceive external pressure in a surfactant hydrophone.

Максимальное относительное изменение скорости при приближении экрана от расстояния 0.25λ до нуля составляет для данного случая примерно 2.5·10-2, что существенно больше, чем у конструкций, упомянутых выше (порядка 10-6).The maximum relative change in speed when the screen approaches from a distance of 0.25λ to zero for this case is approximately 2.5 · 10 -2 , which is significantly larger than that of the structures mentioned above (about 10 -6 ).

Другой вариант предлагаемой конструкции ПАВ гидрофона основан на использовании электроакустической волны, распространяющейся в тонкой пьезопластине (волна Лэмба) (толщина пластины h порядка длины волны λ).Another variant of the proposed design of a hydrophone surfactant is based on the use of an electro-acoustic wave propagating in a thin piezoelectric plate (Lamb wave) (plate thickness h of the order of wavelength λ).

На фиг.8 показана пьезопластина толщиной h, вблизи которой на расстоянии hs от ее поверхности помещен металлический экран.On Fig shows a piezoelectric plate with a thickness h, near which a metal screen is placed at a distance h s from its surface.

Рассчитанные зависимости скорости Vo (обе поверхности пластины открыты) и K2 от относительной толщины пластинки h/λ для ХY-LiNbO3, полученные при условии, что экран отсутствует, показаны на фиг.9.The calculated dependences of the velocity Vo (both surfaces of the plate are open) and K 2 on the relative plate thickness h / λ for XY-LiNbO 3 , obtained under the condition that there is no screen, are shown in Fig. 9.

Зависимости скорости волны и K2 от расстояния до металлического экрана hs, рассчитанные при условии, что потенциал экрана равен нулю, для пластинки XY-LiNbO3 толщиной h=0.06λ (что соответствует максимуму K2 на фиг.8) показаны на фиг.10.The dependences of the wave velocity and K 2 on the distance to the metal screen h s , calculated under the condition that the potential of the screen is zero, for an XY-LiNbO 3 plate of thickness h = 0.06λ (which corresponds to the maximum of K 2 in FIG. 8) are shown in FIG. 10.

При hs/λ → 0 скорость волны Лэмба стремится к Vs (скорость волны в пластине, нижняя поверхность которой открыта, а верхняя металлизирована), при h/λ>0.1 скорость волны стремится к Vo (скорость волны в пластине, обе поверхности которой открыты, а экран отсутствует). Эта зависимость может быть использована для восприятия внешнего давления в гидрофоне.For h s / λ → 0, the Lamb wave velocity tends to V s (the wave velocity in the plate, the lower surface of which is open and the upper one is metallized), for h / λ> 0.1, the wave velocity tends to Vo (wave velocity in the plate, both surfaces of which open but no screen). This dependence can be used to perceive external pressure in the hydrophone.

Величины соответствующих скоростей показаны на фиг.9 и позволяют получить соответствующее значение относительного изменения скорости волны в пластине при приближении к ней металлического экрана с нулевым потенциалом. Это относительное изменение составляет в данном случае около 0.15, что примерно на порядок выше, чем в предыдущем варианте с экраном вблизи полубесконечной среды.The values of the corresponding velocities are shown in Fig. 9 and allow one to obtain the corresponding value of the relative change in the wave velocity in the plate when a metal screen with zero potential approaches it. This relative change in this case is about 0.15, which is about an order of magnitude higher than in the previous version with a screen near a semi-infinite medium.

Предложенная конструкция гидрофона может быть использована также для реализации обычного датчика статического давления на ПАВ в случае подачи на внешнюю мембрану статического давления.The proposed design of the hydrophone can also be used to implement a conventional static pressure sensor for surfactants in the case of applying static pressure to the external membrane.

Кроме этого, еще один вариант конструкции, в которой в качестве металлического экрана, управляющего пространственным распределением электрического поля вблизи поверхности пьезоэлектрической среды, используется сама внешняя мембрана, принимающая статическое (динамическое) давление, что может привести к упрощению конструкции гидрофона (датчика).In addition, there is another design option in which the outer membrane itself, which receives static (dynamic) pressure, is used as the metal screen controlling the spatial distribution of the electric field near the surface of the piezoelectric medium, which can simplify the design of the hydrophone (sensor).

Для повышения чувствительности ПАВ гидрофон (датчик давления на ПАВ) может быть выполнен по дифференциальной автогенераторной схеме [2] при реализации на пьезопластине одновременно двух генераторов на ПАВ с близкими несущими частотами f1≈f2. При этом металлический экран будет вносить электрические возмущения, воздействующие одновременно на оба генератора на ПАВ. Использование разностной частоты Δf=f2-f1 позволит дополнительно повысить чувствительность такой системы.To increase the sensitivity of the surfactant, the hydrophone (pressure sensor on the surfactant) can be performed according to the differential self-generating scheme [2] when two piezoelectric surfactant generators with close carrier frequencies f 1 ≈f 2 are realized on a piezo plate. In this case, the metal screen will introduce electrical disturbances acting simultaneously on both surfactant generators. Using the difference frequency Δf = f 2 -f 1 will further increase the sensitivity of such a system.

Таким образом, в изобретении предложена конструкция ПАВ гидрофона, воспринимающего гидроакустическое давление (сигнал), представляющая собой генератор на ПАВ с частотной модуляцией сигнала, принцип действия которого основан на управлении пространственным распределением электрического поля, сопровождающего поверхностную акустическую волну, с помощью металлического экрана, расположенного вблизи поверхности пьезоэлектрической пластины.Thus, the invention proposed the construction of a surfactant hydrophone, perceiving hydroacoustic pressure (signal), which is a generator for surfactants with frequency modulation of the signal, the principle of which is based on controlling the spatial distribution of the electric field accompanying the surface acoustic wave, using a metal screen located near the surface of the piezoelectric plate.

Источники информацииInformation sources

1. Das P., Lanz L. C. Barone D.A. A surface acoustic wave transmitting hydrophone//1978 Ultrason. Symp.Proc. P.458-463.1. Das P., Lanz L. C. Barone D.A. A surface acoustic wave transmitting hydrophone // 1978 Ultrason. Symp.Proc. P.458-463.

2. E.J.Staples, J.Wise, J.S.Schoenwald, T.C.Lim. Surface acoustic wave underwater sound sensors/1979 Ultrason. Symp.1979, P.870-873.2. E.J. Staples, J. Wise, J.S. Schoenwald, T.C. Lim. Surface acoustic wave underwater sound sensors / 1979 Ultrason. Symp. 1979, P.870-873.

3. Das P., Lanzl C., Tiersten H. A pressure sensing acoustic surface wave resonator/1979 Ultrason. Symp. 1976, P.306-308.3. Das P., Lanzl C., Tiersten H. A pressure sensing acoustic surface wave resonator / 1979 Ultrason. Symp 1976, P.306-308.

4. United States Patent, patent Number 3878477, Apr. 15, 1975, J. Fleming, H. Karrer. Acoustic surface wave oscillator force-sensing devices.4. United States Patent, patent Number 3878477, Apr. 15, 1975, J. Fleming, H. Karrer. Acoustic surface wave oscillator force-sensing devices.

5. Мэттьюз Г. Фильтры на поверхностных акустических волнах // М.: Радио и связь, 1981.5. Matthews G. Filters on surface acoustic waves // M .: Radio and communication, 1981.

6. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Петров С.Г. Электроакустические волны Лэмба в пьезокристаллических пластинах // Акустический журнал, 2004, том 50, №5, с.633-639.6. Dvoesherstov M.Yu., Cherednik V.I., Petrov S.G. Lamb Electroacoustic Waves in Piezocrystalline Plates // Acoustic Journal, 2004, Volume 50, No. 5, pp. 633-639.

Claims (1)

Гидрофон на поверхностных акустических волнах, содержащий монокристаллическую пьезопластину, на поверхности которой расположены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи (ВШП) для реализации линии задержки на ПАВ (резонатора на ПАВ), усилитель, включенный между двумя ВШП для реализации генератора на ПАВ, а также внешнюю мембрану, соединенную через шток с металлическим экраном, расположенным над поверхностью пьезопластины, отличающийся тем, что расстояние h между металлическим экраном, вносящим электрические возмущения, и поверхностью пьезопластины меньше длины волны λ. A hydrophone on surface acoustic waves containing a single-crystal piezoelectric plate, on the surface of which there are input and output interdigital transducers (IDTs) for implementing a delay line to a SAW (resonator to a SAW), an amplifier connected between two IDTs to implement a generator for a SAW, and an external membrane connected via a rod to a metal screen located above the surface of the piezoelectric plate, characterized in that the distance h between the metal screen introducing electrical disturbances, and the surface of the piezoelectric plate is less than the wavelength λ.
RU2008100808/28A 2008-01-09 2008-01-09 Hydrophone on surface acoustic waves RU2368099C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008100808/28A RU2368099C1 (en) 2008-01-09 2008-01-09 Hydrophone on surface acoustic waves

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008100808/28A RU2368099C1 (en) 2008-01-09 2008-01-09 Hydrophone on surface acoustic waves

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008100808A RU2008100808A (en) 2009-07-20
RU2368099C1 true RU2368099C1 (en) 2009-09-20

Family

ID=41046691

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008100808/28A RU2368099C1 (en) 2008-01-09 2008-01-09 Hydrophone on surface acoustic waves

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2368099C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2550697C1 (en) * 2013-10-24 2015-05-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет Sensor based on surface acoustic waves to measure concentration of carbon dioxide
RU2678503C1 (en) * 2017-12-27 2019-01-29 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" Molecular electronic hydrophone

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112697262B (en) * 2020-12-08 2023-06-27 联合微电子中心有限责任公司 Hydrophone and method for manufacturing same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2550697C1 (en) * 2013-10-24 2015-05-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет Sensor based on surface acoustic waves to measure concentration of carbon dioxide
RU2678503C1 (en) * 2017-12-27 2019-01-29 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" Molecular electronic hydrophone

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008100808A (en) 2009-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0706835B1 (en) Method of operating an ultrasonic piezoelectric transducer and circuit arrangement for performing the method
KR930015319A (en) Surface acoustic wave filter
CN107525610B (en) FBAR micro-pressure sensor based on shear wave mode excited in thickness direction
RU2368099C1 (en) Hydrophone on surface acoustic waves
WO2000013316A1 (en) Multi-longitudinal mode saw filter
Guyomar et al. Wave reflection and transmission reduction using a piezoelectric semipassive nonlinear technique
US4373396A (en) Mechanical filter with acoustic sensing
US5569854A (en) Apparatus and method for transmitting and receiving ultrasonic waves having an acoustoelectric, ultrasonic transducer
Yaralioglu et al. Lamb wave devices using capacitive micromachined ultrasonic transducers
CN108847209A (en) A kind of denoising device and noise-reduction method
Lakestani et al. Broadening the bandwidth of piezoelectric transducers by means of transmission lines
Nastro et al. Piezoelectric micromachined acoustic transducer with electrically-tunable resonant frequency
CN113206651A (en) Lamb wave resonator with high electromechanical coupling coefficient and preparation method thereof
US6072263A (en) Surface acoustic wave transducing device
EP0722594B1 (en) Acoustic frequency mixing devices using potassium titanyl phosphate and its analogs
Kažys et al. Optimization of the piezoelectric transducer response by means of electrical correcting circuits
Xu et al. The effect of busbar structure on Q factor enhancement and spurious mode suppression in Lamb wave resonators
EP0966101A3 (en) Surface acoustic wave filter
US3736533A (en) Apparatus for efficiently converting acoustic energy into electrical energy
Liu et al. AlN MEMS resonator with high quality factor
CN109839180B (en) Resonant high-sensitivity acoustic sensor
KR100883052B1 (en) Wireless microphone
JP3887765B2 (en) Ultrasonic switching element
Yamada et al. 1P4-6 Surface acoustic wave excitation by an elliptical reflector transducer
Stroganov et al. Passive wireless SAW-MEMS pressure sensor/microphone

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: PLEDGE

Effective date: 20170919

PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210110