Акустический преобразователь

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 260978 (21) 2669693/18-10 ( )М с присоединением заявки Ио(23) Приоритет В 06 В 1/06 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(У 2) Авторы изобретения В. ННосов, Э. П. Носова, В. С. Ямщиков, В. Л. Шкуратник,Н, А, Глухов, С, А, Филимонов и Д, Н, Сирота Московский ордена Трудового Красного Знамени горныйинститут( 54) АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Изобретение относится к контролю своиств и состояния жидких и твердыхсред.Известны акустические преобразователи для нераэрушающего контроля и гидроакустических антенн типа продольный вибратор Ланжевен а, содержащие переднюю и заднюю накладки, между которыми размещен .пьезоэлемент 11 .10Наиболее близким к изобретению по техничесокй сущности является акустический преобразователь, содЕржащийпакет пьеэокерамических шайб, переднюю и заднюю накладки с отверстиями под стягивающий болт с гайкой, Сжатие пьезоэлемента повышает надежность работы преобразователя в режиме излучения 2,Однако указанные преобразователи обладают малой чувствительностью и направленностью. Действительно, излучение и прием в них осуществляется только переднейнакладкойт при этом используются толь ко продольные 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 чувствительностив режимах излучения и приема эа счетуменьшения акустического импедансав 2-3 раза,Цель изобретения - увеличение,чувствительности и направленностипреобр азов ателя.Поставленная цель достигается тем,ято отверстие в передней накладкевыполнено конусообразным, его мень"ший диаметр обращен к пакету пьезокерамических шайб и составляет 0,30,9 их внутреннего диаметра, головка и часть болта, проходящая. черезпакет пьезокерамических шайб, выполнены плоскими, имеющими в поперченомсечении Форму прямоугольника с толщинойе меньшей диаметра болта, причемвнутренний объем преобразователя заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акусти"ческому сопротивлению среды, на которую нагружен преобразователь. Толщи"на плоских частей болта - 0,2-0,4 отего диаметра.На Фиг. 1 схематически представлен,преобраэоватепь; на фиг, 2- эпюрыраспределения колебательных скоростейв полуволны сжатия в промежуточной(кривая 1) и их сумма (кривая 3).Преобразователь содержит переднююнакладку 1, выполненную из алюминиевого или титанового сплава, заднююнакладку 2, пьезоэлемент 3 размещен/ 5ный между накладками и сжатый при помощи болта 4 и гайки 5. Диаметр наружой части накладки 1 не превышает длиы полуволны в среде, а малый диаметрпереходит 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 дозадней накладки 2 соответственно15выполнен плоскими, толщиной 0,2-0 р 4диаметра болта, исходя из н.обходимости достижения минимальных потерь колебательной скорости в промежуточнойсреде 8 и обеспечения достаточной прочО, ности на разрыв стягивающего болта,В накладке 1 выполнено конусообразноеотверстие 9, Край накладки по большому диаметру выполнен острым, как укольцевого концентратора, Пространство 8 внутри) пьезозлемтента 3 заполнено промежуточной средой типа резины(полиуретан, силиконовая резина, эпоксидный компаунд), имеющей скоростьраспространения звука, равную илиблизкую к сКорости распространениязвука в рабочей среде, например водедля антенн гидролокаторов,Отверстие 9 может быть заполненотой же средой или же внешней средойЗа счет выполнения головки болта 4плоской полость 8 и полость: отверстия9 связаны между собой через отверстия,имеющие форму сегментов.Малый диаметр сквозного отверстияв передней накладке выбирается рав Оным О, 3-0,9 от диаметра отверстияпьезоэлемента исходя иэ необходимос-ти получения малых гидравлических по"терь при перетекании промежуточнойсреды 8 в полость 9 и обратно, а также для достижения возникновения объем"ного резонанса в резонаторе Гельмгольца,Акустический преобразователь работает следующим образом. 5 ОВ режиме излучения на зажижпьезоэлемента подается возбуждающеенапряжение П от генератора (не показан) вызывающее деформации пьезоэлемента.Пьезоэлемент 3 может быть поляри"зован по высоте или по толщинеВпоследнем случае дйаметрпреобразователя растет, но затовысота егоможет быть выполнена несколько мень"шей, При условии, что пьезоэлемент 40имеет продольную поляризацию и полярность возбуждающего напряжения та"кова, что он увеличивает свою длинув соответствии с эффектом Пуассонастенки 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,вой и скорость распространения звука в ней, примерно в 2 раэ а 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, Д 9,тф" -д Ъ"пс. 1 дЪ-ад) где В - площадь отверстия в пьезо"Ьэлементе;В - площадь поперечного сечениястстержневой части стягивающего болта 4;В - площадь сегментообразногоотверстия в накладке 1;0 " диаметр отверстия в пьезоизлементе 1Р - диаметр малого отверстия вконусе 91а " длина хорды сегментай - толщина головной и стержневой частей б и 7 стягивающе.Ро болта 4в - длина дуги сегмента.При следующем полупериоде возбуждающего напряжения продольный размерпьезоэлемента уменьшается, а толщина:его стенки увеличивается в соответствии с эффектом Пуассона, При этомобъем полости 8 уменьшается и проме"жуточная среда, будучи сжатой, приобретает колебательную скорость с обратным знаком, распространяющуюся всторону отверстия 9, Накладка 1,находится в фазе разряжения. Так какскорость распространения звука в. последней примерно в два раза вышечем в среде, наполняющей отверстие 9,то на выходе преобразователя происхо"дит сложение вблн разряжения, распространяющихся в накладке и в средеотвзрстия 9, Волна в последней былаобразована в предаествующий полупериод (Фиг. 2, кривая 3). Таким образом, в образовании суммарного колебанйя участвуют накладки 1 и 2 и поперечные смещения внутренних стевокпьезоэлемента Э,Полость 8 и сегментообразные от" верстия в накладке 1 образуют резонатор Гельмгольца, усиливающий колеба" иияпромежуточной среды, передающие" ся наружной средв. Частоту, на кото759148 гдЕ С транения очной ср тного от площади скоро звука радиу стия, сегме в нак объем освяз ь сть распро в промежу с эквивале равного п нт ообразны ладке 1. полости 8,между вел выглядит слердвум иям1 Оотве Вз аим Ч, В,р а,азом.-ад), (ьезоэлемента д ормула иэобретени рую настроен этот резонатор, вычисляют по формулеь ьр г 1 р- ь-ь (ь д) ь 6пьезоэлемента, что, в свою очередь вызыв ает у э ели че ни е выходн ого н апр я жения, т,е. при одном и том же акус" тическом давлении чувствительность преобразователя врэрас тает, несмотря на уменьшение выходного импенданса, Дополнит ельн ое увеличение чувствительности в Ц раз достигается за счет объемного резонанса резонатора Гельмгольца,Предлагаемоя конструкция акустического преобразователя дает возможность получить увеличение чувствительности в режимах излучения и приема в 3-4 раза, а направленности в- в 1, 5-2,0 раза по сравнению с акустическим преобразователем, у которого используется только одна накладка.Из формул (2), (3) и (4) следует,что:для того, чтобы настроить резонатор на резонансную частоту преобразователя необходимо варьировать величинами О, Оп, Й и Н. Для возбуждениясамой низкочастотной моды колебанийв резонаторе, являющ.йся самой мощной, необходимо, чтобы в среде попости 8 уложилась бы одна четверть вол- .ны, Отсюда следует, что величина Нзависит от акустических свойств про- ЗОмежуточной среды при соотнсшениискоростей с/С 2, где с - скорость звука в пьезоэлемейте 3; НЪ(8, Ъ:С/Угде Ъ, - длина волны в пьезоэлементе.и й - частота резонанса. Сечение стерж.35невой части стягивающего болта выбирается исходя из требуемого усилиясжатчя пьезоэлемента и прочности наразрыв материала, из которого сделанболт. Наружная поверхность накладки 401 может быть заключена в экран,Увелир.ение чувствительности в режиме приема достигается эа счет увеличения активной поверхности, иа которую воздействует акустическое давле ние принимаемого сигнала. Величинаплощади поверхности приема равна сумме площадей поверхностей передней накладки, отверстия пьезоэлемента и задней накладки. Силы, приведенные кпьезоэлементу с укаэанных поверхностей, приводят к увеличению деформацииная акустика, 163 (протот М 1. Акустический преобразователь,содержащий пакет пьеэокерамическихшайб, четвертьволновую переднюю изаднюю накладки с отверстиями, стягивающий болт с гайкой, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения чувствительности, отверстиев передней накладке выполнено конусообразным, его меньший диаметр обращенк пакету пьезокерамических шайб исоставляет 0,3"0,9 их внутреннегодиаметра, головка и часть болта про 1 ходящая через пакет пьезокерамических шайб, выполнены плоскими, имеющими в поперечном сечении форму прямоугольника с тощиной, меньшей диаметра болта, причем внутренний объемпреобразователя заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению среды, на которую нагружен преобразователь.2Преобразователь по п,1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что толщина плоских частей болта составляет0,2"04 от его диаметра,Источники информациипринятые во внимание при экспертизе1. Патент США 9 3140859, кл.259-1,/5 иал ППППатентг. ужгород, ул, Проектн ЦН1130 Тираж 5 б 5Государственного коюатета СССРделам изобретений и открытийМосква, Ж-Э 5, Раушская наб.,