Акустический преобразователь

Акустический преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ р,759148 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 260978 (21) 2669693/18-10 с присоединением заявки Ио (23) Приоритет

Опубликовано 300 К80. Бюллетень Мо 32

Дата опубликования описания 300880 (51) М. Кл.з

В 06 В 1/06

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53,) УДК 534.232 (088 8) (72) Авторы изобретения

B. Н„Носов, Э. П. Носова, В. С. Ямщиков, В. Л. Шкуратник, H„A, Глухов, С. А. Филимонов и Д. Н. Сирота

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт (71) Заявитель (54) АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к контролю своиств и состояния жидких и твердых сред.

Известны акустические преобразователи для нераэрушающего контроля и гидроакустических антенн типа продольный вибратор Ланжевен а, содержащие переднюю и заднюю накладки, между которыми размещен .пьезоэлемент 11) .10

Наиболее близким к изобретению по техничесокй сущности является акустический преобразователь, содержащий пакет пьеэокерамических шайб, переднюю и заднюю накладки с отверстиями под стягивающий болт с гайкой, Сжатие пьезоэлемента повышает надежность работы преобразователя в режиме излучения Pj °

Однако указанные преобразователи обладают малой чувствительностью и направленностью.

Действительно, излучение и прием в них осуществляется только передней 2е накладкойт при этом используются толь. ко продольнйе компоненты сил, развиваемчх пьезоэлементом, а поперечные компоненты не используются, так как наружные и внутренние стенки пьезоэлемента находятся в воздухе и анус" тически почти не нагружены. Это приводит к уменьшению чувствительности в режимах излучения и приема эа счет уменьшения акустического импеданса в 2-3 раза.

Цель изобретения — увеличение ,чувствительности и направленности пр ео бр аз ов ат ел я.

Поставленная цель достигается тем, ято отверстие в передней накладке выполнено конусообразным, его мень" ший диаметр обращен к пакету пьезокерамических шайб и составляет 0,30,9 их внутреннего диаметра, головка и часть болта, проходящая. через пакет пьезокерамических шайб, выполнены плоскими, имеющими в поперченом сечении форму прямоугольника с толщинойе меньшей диаметра болта, причем внутренний объем преобразователя заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акусти" ческому сопротивлению среды, на которую нагружен преобразователь. Толщина плоских частей болта — 0,2-0,4 от его диаметра.

На Фиг. 1 схематически представлен ,преобразователь; на фиг, 2- эпюры распределения колебательных скоростей в полуволны сжатия в промежуточной

759148 с реде (кривая 2}, в преобраэователе (кривая 1) и их сумма (кривая 3) .

Преобразователь содержит переднюю накладку 1, выполненную из алюминиевого или титанового сплава, заднюю накладку ?, пьезоэлемент 3 размещен1 5 ный между накладками и сжатый при помощи болта 4 и гайки 5. Диаметр наружой части накладки 1 не превышает длиы полуволны в среде, а малый диаметр

t переходит в хвостовик с помощью которого осуществляется крепление преобразователя к опорной плите (не показана)

Голов а б и стержневая часть 7 стягивающего болта 4, находящиеся в передней накладке 1 в пространстве 8 до задней накладки 2 соответственно

TGHtgHHOA О, 2-0 р 4 диаметра болта, исходя из: н .обходимости достижения минимальных потерь колебательной скорости в промежуточной среде 8 и обеспечения достаточной проч Р, ности на разрыв стягивающего болта, В накладке 1 выполнено конусообразное отверстие 9, Край накладки по большому диаметру выполнен острым, как у кольцевого концентратора, ПространстВо 8 внутри пьезозлемтента 3 заполнено промежуточной средой типа резины (полиуретан, силиконовая резина, эпоксидный компаунд), имеющей скорость распространения звука, равную или близкую к сКорости распространения— звука в рабочей среде, например воде для антенн гидролокаторов.

Отверстие 9 может быть заполнено той же средой или же внешней средой

За счет выполнения головки болта 4 плоской полость 8 и полость: отверстия

9 связаны между собой через отверстия, имеющие форму сегментов.

Малый диаметр сквозного отверстия в передней накладке выбирается рав- 4О ным О, 3-0,9 от диаметра отверстия пьезоэлемента исходя иэ необходимос- ти получения малых гидравлических по" терь при перетекании промежуточной среды 8 в полость 9 и обратно, а так- же для достижения возникновения объемного резонанса в резонаторе Гельмгольца.

Акустический преобразователь работает следующим образом. 5О

В режиме излучения на зажиж пьезоэлемента подается возбуждающее напряжение U от генератора (не показан) вызывающее деформации пьезоэлементаа.

Пьезоэлемент 3 может быть поляри" зован по высоте или по толщине ° В последнем случае дйаметр преобразователя растет, но зато высота его мажет быть выполнена несколько меньшей, При условии, что пьезоэлемент 40 имеет продольную поляризацию и полярность возбуждающего напряжения такова, что он увеличивает свою длину,, в соответствии с эффектом Пуассона стенки его уменьшают свою толщину, ;а накладки 1 и 2 удаляются друг от друга, Объем полости 8 при этом возрастает и в промежуточной среде возникает волна разряжения распространяющаяся через сегментообразное отверстие в накладке 1 из полости 8 в полость отверстия 9. Накладка 1 является четвертьволно,Ьой и скорость распространения звука в ней .примерно в 2 раза больше, чем в промежуточной или наружной среде (фиг. 2, кривые 1 и 2), Величина колебательной скорости промежуточной среды } „с по высоте пьезоэлемента постоянна и возрастает скачком при выходе в полость отверстия 9 .пропорционально отношению площадей отверстий пьезоэлемента и накладки 1 где  — площадь отверстия в пьезоЬ элемент е;

 — площадь поперечного сечения ст стержневой части стягивающего болта 4;

 — площадь сегментообразного отверстия в накладке 1;

D - диаметр отверстия в пьезол злементе1

В - диаметр малого отверстия в конусе 91 а " длина хорды сегмента

d - толщина головной и стержневой частей б и 7 стягивающего болта 4 3 в - длина дуги сегмента.

При следующем полупериоде возбуждающего напряжения продольный размер пьезоэлемента уменьшается, а толщина его стенки увеличивается в соответствии с эффектом Пуассона, При этом объем полости 8 уменьшается и промежуточная среда, будучи сжатой, приобретает колебательную скорость с обратным знаком, распространяющуюся в сторону отверстия 9, Накладка 1 находится в фазе разряжения. Так как скорость распространения звука в. последней примерно в два раза выше чем в среде, наполняющей отверстие 9, то на выходе преобразователя происходит сложение вблн разряжения, распространяющихся в накладке и в среде отвзрстия 9, Волна в последней была образована в предаествующий полупеРиод (фиг. 2, кривая Э). Таким образом в .образовании суммарного калебанйя участвуют накладки 1 и 2 и поперечные смещения внутренних створок пьезоэлемента 3, Полость 8 и сегментообразные отверстия в накладке 1 образуют резонатор Гельмгольца, усиливающий колебания промежуточной среды, передающиеся наружной средв. Частоту, на кото759148 рую настроен этот резонатор, вычисляют по формуле гдЕ С - скорость распространения звука в промежуточной среде;

R — радиус эквивалентного отверстия, равного по площади двум сегментообразным i отверстиям. в накладке 1. 1О

Ч вЂ” объем полости 8

Взаимосвязь между величинами R, Ч, Од à, b, d выглядит следующим образом.

6 пьезоэлемента, что, в свою очередь вызывает увеличение выходного напря жения, т.е. при одном и том же акус" тическом давлении чувствительность преобразователя врэрас тает, несмотря на уменьшение выходного импенданса. Дополнительное увеличение чувствительности в Ц раз достигается за счет объемного резонанса резонатора

Гельмгольца.

Предлагаемоя конструкция акустического преобразователя дает возможность получить у велич ение чувс твительности в режимах излучения и приема в 3-4 раза, а направленности вв 1, 5-2,0 раза по сравнению с акустическим преобразователем, у которого используется только одна накладка. где Н вЂ” высота пьезоэлемента, Ж =38 14 °

Из формул (2), (3) и (4) следует, что =для того, чтобы настроить резонатор на резонансную частоту преобразователя необходимо варьировать величинами О, 0ц, d и Н. Для возбуждения самой низкочастотной моды колебаний в резонаторе, являющ йся самой мощной, необходимо, чтобы в среде полости 8 уложилась бы одна четверть вол-. ны. Отсюда следует, что величина Н зависит от акустических свойств про- ЗО межуточной среды при соотнсшении скоростей c/C2, где с — скорость звука в пьезоэлемейте 3; 89(8 > 9 =С/У где 7L — длина волны в пьезоэлементе!. и и - частота резонанса. Сечение стерж-35 невой части стягивающего болта выбирается исходя из требуемого усилия сжатчя пьезоэлемента и прочности на разрыв материала, из которого сделан болт. Наружная поверхность накладки @»

1 может быть заключена в экран.

Увели -ение чувствительности в режиме приема достигается эа счет уве„личения активной поверхности, иа которую воздействует акустическое давле-gg ние принимаемого сигнала. Величина площади поверхности приема равна сумме площадей поверхностей передней накладки, отверстия пьезоэлемента и задней накладки. Силы, приведенные к пьезоэлементу с укаэанных поверхностей, приводят к увелич нию деформации

Формула изобретения

1. Акустический преобразователь, содержащий пакет пьеэокерамических шайб, четвертьволновую переднюю и заднюю накладки с отверстиями, стягивающий болт с гайкой, о т л и— ч ающий ся тем, что, сцелью повышения чувствительности, отверстие в передней накладке выполнено конусообразным, его меньший диаметр обращен к пакету пьезокерамических шайб и составляет О, 3-0,9 их внутреннего диаметра, головка и часть болта про)ходящая через пакет пьезокерамических шайб, выполнены плоскими, имеющими в поперечном сечении форму прямоугольника с тощиной, меньшей диаметра болтар причем внутренний объем преобразователя заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению среды, на которую нагружен преобразователь.

2 ° Преобразователь по п.1, о т - л и ч аю щи и с я тем, что толщина плоских частей болта составляет

0,2"0 4 от его диаметра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США 9 3140859, кл.259-1, 19б4. .2. Камп Л, Подводная акустика, М, Мир 1972 с. 163 (прототип).

759148

Составитель Н. Бирдело

Редактор И. Нанкина Текред Т. МаточкаКорректор М. Шарсти

Под1щсное

Филиал ППП Патент г. Ужгород, ул, Проектная, 4

Заказ 5953/3 Тираж 5б 5 ,ЦНИИПИ Государственного коветета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д ° 4/5