Пьезоэлектрический преобразователь

(71) Самарское специальное конструкторское бюро Научно-производственного обьединения "Нефтехимавтоматика"(56) Авторское свидетельство СССРМ 233313, кл, В 06 В 1/06, 1967.Авторское свидетельство СССРМ 1553194, кл, В 06 В 1/06, 1987.Ермолов И.Н. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля - ММашиностроение, 1986, с. 35-38,Донской А.ВКеллер О.ККрать(ш Г,С,Ультразвуковые электротехнологическиеустановки, - Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1968, с. 85,(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Е Изобретение относится кизлучения и приема ультразвуний и может найти примененрах, расходомерах, работаюлокации через газовую и жидходящуюся под давлением,Известен многослойныйческий пакетный преобразожащий пьезопластины, укрепметаллическими накладкамболтом, мембрану, котораясоединена с фланцем в узлообразователя.Известен пьезоэлектричезователь для газовых сред, сокет пьезопластин. размещ приборам для ковых колебаие в уровнемещих методом кую среду, напьезоэлектриватель, содерленные между и и стянутые по периметру вой точке прекий преобрадержащий панный между ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) 2(57) Использование: в ультразвуковых уровнемерах и расходомерах. Сущность изобретения: излучающая и отражающая накладки выполнены из композиционных материалов, акустические импедансы которйх выбраны из условия 2 отр/2 ызлуч,3, где 20 тр. - характеристический импеданс материала отражающей накладки, 2 иэУч, - характеристический импеданс материала излучающей накладки, Отражающая накладка охватывает пьезокерамические пластины, в частности, по боковым поверхностям и жестко связана с ними. Свободная поверхность излучающей накладки жестко связана с диском, акустический импеданс которого меньше или равен акустическому импедансу излучающей накладки, а диаметр выбра изусловия Оп20 п.а, где Од, Оо-а-диаме ры диска и пьезокерамических пластин. ил. отражающей и излучающей накладками с кольцевой мембраной, фланец и амортизаторы.Известные преобразователи не обеспечивают эффективного излучения из-за значительного различия акустических импедансов излучающих.накладок и контролируемых сред. Известные преобразователи обладают недостаточной помехоустойчивостью из-зе выполненя излучающих накладок металлическими, так ак в твердом телемодуль сдвига не равен нулю и одновременно с продольными колебаниями существуют поперечные и изгибные колебания, влияющие на все , компоненты напряжений. деформаций и механических смещений и, как следствие, на параметры электрического сигнала. Кроме того, использование пьезокерамических колец в таких преобразователях приводит к недостаточному эффективному излучению ввиду малой активной площади пьезоэлемента.Наиболее близким к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий соосно и последовательно расположенные излучающую накладку, пьезокерамические пластины с прокладкой между ними, отражающую накладку.Недостатками преобразователя являются его низкие эксплуатационные характеристики из-за недостаточного эффективного излучения и низкой помехоустойчивости, так как использование дисковых пластин в такой конструкции приводит к снижению излучающей мощности иэ-за вызванных поперечных и иэгибных колебаний.Цель изобретения - повышение эффективности излучения и.повышение помехоустойчивости.Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем соосно и последовательно расположенные излучающую накладку, пьезокерамические пластины с прокладкой между ними, отражающую накладку, согласно изобретению отражающая и излучающая накладки выполнены из композиционных материалов, акустические импедансы которых выбраны изусловиянотр/с-излуч.3,где нотр, - характеристический импеданс материала отражающей накладки;Еизлуч, - характеристический импеданс материала излучающей накладки, отражающая накладка охватывает пьеэокерамические пластины по боковым поверхностям и жестко связана с ними, а свободная поверхность излучающей накладки жестко связана с введенным диском, акустический импеданс которого меньше или равен акустическому импедансу излучающей накладки, а диаметр выбран из условияОд 2 Оп-н,где Од, Оп-и - диаметры диска и пьезокерамических пластин соответственно.На чертеже представлено сечение пьезоэлектрического преобразователя,Пьезоэлектрический преобразовательсодержит соосно расположенные пьезокерамические диски 1, прокладку 2, помещенную между электродами пьезоэлементов и 5 выполненную в виде тканой металлическойсетки с ячейками, заполненными композиционным материалом, отражающую наклад.ку 3, охватывающую боковую поверхность пьезоэлементов и выполненную за одно це лое с опорным буртиком 4, армированным. металлической втулкой 5, излучающую накладку 6, снабженную диском 7, электрические выводы 8, фланец 9, стопорную гайку 10, фиксирующую преобразователь по пе риметру буртика 4 во фланце 9. Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При подаче рабочего импульса на пьезоэлементы 1 с частотой заполнения, соответствующей резонансной 20 частоте преобразователя, через излучающую накладку 6 и мембрану 7 ультразвуковые колебания идут в оэвучиваемую среду.Несимметричность акустических импедансов накладок усиливает интенсивность ко лебаний на излучающей поверхности.Благодаря выполнению накладок из композиционных материалов в преобразователе полностью отсутствуют иэгибные колебания, в достаточной мере снижен уровень 30 реверберационных помех, обусловленнымирадиальными колебаниями накладок (из-за значительного поглощения звука), компози; ционный материал, охватывающий всю боковую поверхность пьезоэлементов, 35 повышает помехоустойчивость преобразователя от внешних акустических полей, При малом отношении радиуса пьезопластины к. толщине (это требуется для локации черезгазовую среду) особенно велики радиаль ные колебания. В предложенном решенииони в достаточной мере ослаблены, Благодаря значительному снижению уровня реверберационных помех в преобразователе можно использовать пьезоэлементы со значитель ной эффективной площадью пьезоэлементадля увеличения отдачи преобразователя.Кроме того, полимерный диск, смонтированный (приклеенный или отлитый за одно целое) на излучающей поверхности накладки, 50 повышает чувствительность в 3,5 раза.Прокладка, выполненная из тканой металлической сетки с ячейками, заполненными композитным материаломс акустическим им-, педансом, близким к акустическому импедан су пьезоэлемента, в достаточной мереснижает помехи, вызванные рециркуляцией эхо-сигналов на границе пьезоэлемент - прокладка; что в конечном итоге приводит к снижению общего уровня шумов впьезоэлектрическом преобразователе.Таким образом, пьезоэлектрический В предложенном устройстве акустичепреобразователь обладает лучшими эксплу- ские импедансы отражающей и излучающейатационными характеристиками за счет уве- накладки соответственно равны:.личения помехоустойчивости и, какследствие, эффективностью преобразова- Еотр. = 6,410 кг/(мс)ния. 5Кроме того, прокладка в значительной тизл,-2,0 10 кг/(м с)мере повышает надежность преобразователя, так каксуществующие способы, обеспе- Масса излучающей накладки для данночивающие гальванб-акустическую связь го случая в 4 раза меньше массы отражаюпьезоэлеметов, не надежны (требуются 10 щей накладки, т,е. коэффициентбольшие усилия для обеспечения механо- асимметрии обеспечивает достаточную одакустической связи, что в свою очередь со- нонаправленность и эффективность излучездает значительные механические ния.напряжения в колебательном узле, приво-Полное гашениепаразитных колебанийдящие к растрескиванию пьезоэлементов).:15 в предлагаемом устройстве достигается пу Предлагаемое устройство за счет герме- тем выбора ингредиентов состава компотизации колебательного узла может рабо- зитного материала. Для данного случаятать как в газообразных. так и в жидкостных паразитные колебания снижены в достаточсредах. ной мере Оо сравнению с известными устПриводится одйн из вариантов конкрет ройствами. В полимерах затуханиеного выполнения предлагаемого пьезоэлек- происходит интенсивней, чем в металлах итрического преобразователя. сплавах. Использование четверть-волновых,После соответствующей обработки по- накладок оказывает незначительйое влия-верхности тканой металлической сетки под ние на затухание продольных волн(рабочих)склеивание на нее наносят соответствую в композитном материале.щую композицию(жидкое стекло с наполни- Кроме того, предлагаемое устройствотелем или эпоксидную смолу с предназначенодля работы на низких частонаполнителем) и отверждают.тах (45-200) кГц с большой длиной волны,После отверждения из полученногопоэтому на затухание продольных волн ком-промежуточногослоя вырезаютпрокладкус 30 позитный материал оказываетслабое влиягеометрическими размерами под выбран- ние.ную пьезокерамику, после чего ее помеща-ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и яют между электродами пьезоэлементов, на, Пьезоэлектрический прбобразователь,которые предварительно был нанесен тон- содержащий соосно и последовательно рас- .кий слой композиционного клея 35 положенные излучающую накладку, пьезоПосле такой операции выступы (утки) керамические пластины с прокладкойтканой металлической сетки обеспечивают между ними, отражающую накладку, о т л иэлектрическую связь между собой электро- ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышениядов пьезоэлеметов, а композиционный ма- ,":эффективности излучения и повышения потериал, находящийся в ячейках сетки, 40 мехоустойчивости, отражающая и излучаюобеспечивает механо-акустическую связь, щая накладки выполнены изДля снижения уровня эхо-сигнала на композиционных материалов, акустическиегранице прокладка-пьезоэлемент сеткавы- импедансы которых выбраны из условиябрана латунной (акустические импедансы.материалов латуни и пьезокерамики типа 45 нотр./2 иэлуч. 3,ЦТСблизки), а композиционный материал по акустическому импедансу подбирают гдеЪтр,-характеристический импеданс маблизким по акустическому импедансу пье- териала отражающей накладки;зокерамики (достигается варьированием Екзлуч, характеристический импеданс. процентного содержания наполнителя в 50 материала излучающей накладки,связующем). отражающая накладка охватывает пьезокеПолученный пакет с припаянными про- рамические пластины по боковым поверхводами(плюсовой проводник "живой" при- ностям и жестко связана с ними, апаивают к сетке, а минусовой - к внешним свободная поверхность излучающей наэлектродам пьезоэлементов) помещают в 55 кладкижесткосвязанасвведеннымдиском,специальную питьевую форму и поочередно акустический импеданс которого меньшеотливают сначала отражающую накладку, или равен акустическому импедансу излуча. затем излучающую..Пет аказ 4234 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб;, 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 ющей накладки, а диаметр выбран из условия