Електроакустичний пристрій

Изобретение относится к областям акустооптики и ультразвуковой техники и может быть использовано при разработке широкополосных устройств, в которых пьезопреобразователь имеет малое входное сопротивление. Известно электроакустическое устройство, содержащее пьезопреобразователь и согласующую цепь в виде Г-образного звена фильтра низких частот [Р.-Й. Кажис. Ультразвуковые информационно-измерительные системы. - Вильнюс: Мокслас, 1986. - Рис 3,28. - С. 69-71]. Схемное решение такого устройства не позволяет синтезировать оптимальную согласующую цепь, обеспечивающую получение минимального коэффициента стоячей волны (КСВ) в широкой полосе частот. Известна также устройство, содержащее пьезопреобразователь и лестничную полосовую согласующую цепь 3-го порядка, первым (со стороны пьезопреобразователя) элементом которой является параллельная индуктивность (Мельник А.Н., Москалев В.М., Юрченко А.В. Использование дуальных полосовых структур для широкополосного согласования акустооптических устройств // Иза.вузов. Радиоэлектроника. №8. - 1990. - С. 76. Рис- 2,а]. Из-за паразитной индуктивности подводящих проводов, включенной последовательно с преобразователем, в таком устройстве невозможно реализовать оптимальную согласующую цепь на частотах выше 80-100 МГц. Наиболее близким техническим решением является электроакустическое устройство (Мельник А.Н., Москалев В.М., Юрченко А.В. Использование дуальных полосовых структур для широкополосного согласования акустооптических устройств // Изв, вузов Радиоэлектроника. - №8. -1990. - С. 76. - Рис. 2,6), содержащее пьезопреобразователь и лестничную полосовую согласующую цепь 3-го порядка из емкостных и индуктивных элементов, первым (со стороны пьезопреобразователя) элементов которой является последовательная индуктивность - фиг.1. В таком устройстве оказывается возможным синтезировать оптимальную полосовую согласующую цепь, обеспечив, таким образом, ее максимальную широкополосность. Недостатком его является то, что при малой величине (единицы Ом) входного сопротивления пьезопреобразователя входное сопротивление согласующей цепи также будет малым. Это заставляет использовать дополнительные трансформирующие устройства для того, чтобы обеспечить возможность работы устройства со стандартными (например, 50-омными) источниками радиосигнала. В основу изобретения положена задача создания такого электроакустического устройства, в котором новое схемное решение оптимальной согласующей цепи позволило бы увеличить ее входное сопротивление по сравнению с входным сопротивлением согласуемого пьезопреобразователя и за счет этого обеспечить возможность ее работы непосредственно со стандартным источником радиосигнала, а также упростить конструкцию устройства и повысить его КПД. Поставленная задача решается тем, что в электроакустическое устройство, содержащее пьезопреобразователь и лестничную полосовую согласующую цепь 3-го порядка из емкостных и индуктивных элементов, согласно изобретению, дополнительно введен генератор сигнала с выходным сопротивлением Rг, подключенный ко входу согласующей цепи, первая со стороны пьезопреобразователя ветвь лестничной согласующей цепи, выполненная в виде индуктивного элемента L1, включена последовательно с пьезопреобразователем, вторая, параллельная ветвь, выполнена в виде емкостного элемента С2, третья, последовательная ветвь - в виде емкостного элемента С3, четвертая, параллельная ветвь - в виде индуктивного элемента L4, причем величины элементов согласующей цепи определяются параметрами пьезопреобразователя и генератора сигнала и находятся по следующим формулам: где ReZ(f p) и ImZ(f p) - действительная и мнимая части входного сопротивления пьезопреобразователя на частоте f p; f p - частота, на которой действительная часть входного сопротивления пьезопреобразователя максимальна; q2(d), q3(d) и q4(d) - нормированные значения элементов цепи для полосовой согласующей цепи 3-го порядка с декрементом одноэлементной нагрузки d; ω - вспомогательный коэффициент; Q - эквивалент механической добротности пьезопреобразователя. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием нового узла (генератора сигнала), связями элементов схемы между собой (новое схемное решение) и новой взаимосвязью между их величинами (значения элементов согласующей цепи определяются параметрами пьезопреобразователя и генератора сигнала). Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Использование Г-образного соединения емкостей (1 и 2 на фиг.1) для трансформации сопротивлений посредством преобразования Нортона широко известно [Зааль Р. Справочник по расчету фильтров. - М., Радио и связь, 1983. - С. 16]. Однако осуществить такое преобразование в прототипе нельзя, поскольку значения элементов 1 и 2 согласующей цепи определяются параметрами пьезопреобразователя и желаемой полосой согласования. В то же время, введение генератора сигнала, подключенного ко входу согласующей цепи, позволяет выявить ее новое свойство - способность изменять уровень согласуемого сопротивления (т.е. пьезопреобразователя), а также установить необходимую взаимосвязь между значениями элементов преобразованной схемы. Это в совокупности с новым схемным решением согласующей цепи, позволяет сохранить все частотные свойства оптимальной согласующей цепи и одновременно получить такой технический результат - увеличение ее входного сопротивления. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию "изобретательский уровень". На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства-прототипа; на фиг.2 - принципиальная схема заявляемого устройства. Электроакустическое устройство (фиг.2) содержит пьезопреобразователь 3, лестничную полосовую согласующую цепь 4 и генератор сигнала 5 с выходным сопротивлением Rг. Первая со стороны пьезопреобразователя ветвь лестничной согласующей цепи, выполненная в виде индуктивного элемента 6 (L1), включена последовательно с пьезопреобрэзователем, вторая, параллельная ветвь, выполнена в виде емкостного элемента 7 (С2), третья последовательная ветвь - в виде емкостного элемента 8 (С3). четвертая, параллельная ветвь - в виде индуктивного элемента 9 (L4). Генератор сигнала 5 подключен ко входу согласующей цепи 4. Такая конфигурация схемы согласующей цепи 4 получена соответствующим изменением схемы в прототипе посредством преобразования Нортона и последующим исключением идеального трансформатора [Зааль Р. Справочник по расчету фильтров. - М., Радио и связь, 1983. - Табл. 1.8]. В заявляемом устройстве это можно сделать, установив связь между параметрами генератора сигнала, пьезопреобразователя и значениями элементов согласующей цепи, что достигается следующим образом. 1) Выбирается вид синтезируемой характеристики согласующей цепи (чебышевская с минимальным уровнем КСВ, чебышевская с минимальным уровнем пульсаций, баттервортовская и т.д.). 2)Решается уравнение относительно d, где q2(d). q3(d) и q4(d) - нормированные значения элементов низкочастотного прототипа (НЧ-прототипэ или, по-другому, базовой цепи) полосовой согласующей цепи 3-го порядка с декрементом одноэлементной согласуемой нагрузки д. Такое уравнение всегда может быть решено, поскольку вид функций q2(d). q3(d) и q4(d) известен и определяется только требованиями к частотной характеристике (чебышевской, баттервортовской и т.д.) согласующей цепи [Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. - М,, Связь, 1971]. Здесь f p - частота, на которой действительная часть входного сопротивления пьезопреобразователя максимальна, Q = f p/ Δf - эквивалент механической добротности пьезопреобразователя, причем диапазон часть Δf определен по графику зависимости ReZ(f) на уровне 1 /2 от максимального: ReZ(f) - действительная часть входного сопротивления пьезопреобразователя на произвольной частоте f. Таким образом, значение d определяется величиной выходного сопротивления генератора Rг и параметрами пьезопреобразователя ReZ(f p), lmZ(f p) и Q. 3) Для найденного из приведенного выше уравнения (2) значения декремента d находятся значения функций qi(d), i= 2-4. 4) По известным значениям qi(d) вычисляются вспомогательный коэффициент w = [1 + g3 dQclmZ(f p)/ReZ(f p) + q2q3(dQc)2]-1, a также значения емкостных и индуктивных элементов согласующей цепи. При этом полоса согласования f c = f p/(Qd). На этом процедура синтеза электроакустического устройства заканчивается. Например, для согласующей цепи, оптимальной по Фано (т.е. с минимальным уровнем КСВ в полосе согласования и не-нормируемой величиной пульсаций), значения элементов находятся по формулам (1), в которых gi = gіф - нормированные значения элементов НЧ-прототипа цепи, оптимальной по Фано, а величина d определена из решения уравнения (2). Для проверки заявляемого решения был поставлен численный эксперимент. Исследовались входные характеристики реального акустооптического элемента с пьезопреобразователем, имевшим следующие параметры: ReZ(f p)= 6,8 Ом; I lmZ(f p)l =0,85 Ом; Q = 3,56; f p = 85,7 МГц. В качестве оцениваемой частотной характеристики использовалась зависимость коэффициента стоячейволны KCB(f) в 50-омном радиотракте. Характеристика KCB(f) на входе синтезированной согласующей цепи рассчитывалась для теоретической модели, в которой реальный преобразователь, являвшийся нагрузкой для этой цепи, был заменен его эквивалентной схемой. Полученное значение КСВ в полосе согласования (66,6-110,3 МГц) не превышало 1,85, а величины элементов согласующей цепи имели значения, вполне подходящие для практической реализации: десятки наногенри для индуктивностей и десятки (сотни) пикофарад для емкостей. При указанной величине ReZ(f p) конструирование устройства с такими же характеристиками в прототипе потребовало использования дополнительного трансформатора с коэффициентом трансформации 0,3. Кроме того, величины элементов согласующей цепи оказались сравнимыми с величинами паразитных конструктивных элементов устройства-прототипа (например, значение одного из индуктивных элементов равнялось 5 нГн) и реализовать такое устройство на практике не удалось. Таким образом, заявляемое устройство позволяет увеличить входное сопротивление согласующей цепи, упростить схемные решения акустооптических и высокочастотных ультразвуковых устройств, а в ряде случаев дает возможность сконструировать оптимальные согласующие цепи, нереализуемые другими методами.