Акустический преобразователь

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 012029 (21) 2826339/40-23 с присоединением заявки Нов Государственный комитет ССР но делам изобретений и открытий(72 Автор изобретения В. Н. Носов Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии(54) АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Изобретение предназначено для ис. пользования в приборостроении и дляантенн. различных гео- и гидролокаторов.5Известны акустические преобразова- . тели 1, содержащие излучакщую и тыльную накладки, размещенный между ними продольно-поляризованный пьезоэлемент, сжатый с помощью армирукщего 10 болта и гайки,Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является аКустический преобразователь 21, содержащий пьезоактивный элемент в виде пакета про дольно-поляризованных шайб, размещенный между тыльной и излучающей накладками, и армирующий элемент с гайкой.Однако данное устройство имеет не достатки:прием и излучение акустических сигналов производится только излучающей накладкой, имеющей недостаточную площадь, кроме того, тыльная накладка 25 работает в режиме переотражения колебаний и не работает непосредственно на среду. Это приводит к уменьшению чувствительности в режиме излу-. чения. 30 Тыльная накладка нагружена на воздух, т, е. на среду с низким волновым сопротивлением, что приводит к уменьшению входного импеданса и излишнему потреблению мощности от генератора импульсов, при этом армирующий болт не участвует в колебательном процессе, создавая лишь статическое сжатие пьезоэлемента, шунтируя его и внося тем самым дополнительные акустические потери.Целью изобретения является повышение чувствительности в режимах излучения и приема.Указанная цель достигается .эа счет того, что в тыльной накладке выполнена глухая коническая полость, меньшим диаметром сопряженная с -армирующим элементом, выполненным в виде трубки, отношение диаметра которой к внутреннему диаметру пьезоэлемента лежит в пределах 0,9-1,0, в иэлучакщей. накладке выполнена выемка под армирующую гайку, а пространство внутри армирукщей трубки в конической полости тыльной накладки заполнено эвукопроводящей средой, отношение скорости распространения звука в которой к скорости звука в материале преобразователя равно 1:3.В излучающей накладке может быть выполнено центральное коническое отверстие, площадь поперечного сечения которого по большому диаметру равна площади поверхности шайбы пьеэоактивного элемента, а меньший диаметр равен диаметру выемкипод армирующуд гайку, а также эа счет того, что армирующая .рубка выполнена с ребристой поверхностью. На фиг. 1 представлен акустическийпреобразователь;на Фиг.2 приведеныэпюры распределения скоростей колебаний,распространяющихся по твердому телу кривая 1 и от тыльной накладкипо армирующей трубке (кривая 11) в 15сторону излучающей накладки; кривая111 - эпюра суммарного колебания навыходе преобразователя в режиме излучения,В излучающей накладке:1 в отвер Остии под армирукций элемент выполнена выемка 2 под армирукщую гайку 3.Форма выходнои части выемки можетбыть конической, причем отверстиевыемки выполняется так, что его площадь поперечного сечения по большомудиаметру равно площади кольца активной поверхности кольца накладки 1,а малый диаметр отверстия соответствует диаметру под армирующую гайкуи трубку, Армирукщая трубка 4 разме Ощена в отверстии пьезоэлемента 5,представляющего набор продольно поляризованных шайб или трубку, В узле колебаний преобразователя размещен хомутик б, с помощью которого 35преобразователь крепится к основаниюантенны (на чертежах не показано),Конец армирующей трубки 4 с помощьюрезьбы соЕдинен с тыльной накладкой7, выполненной с глухой, например, 4 Оконической полостью 8. Малый диаметр отверстия плоскости сопряжен сармирующей трубкой, которая в своюочередь сопряжена с диаметром отверстия пьезоэлемента 5, и диаметр которой составляет 0,9-1,0 от диаметрапоследнего. Пространство внутри трубки 4 и полости 8 заполнено звукопроводящей средой, скорость распространения звука которой составляет однутреть от скорости распространения50звука в твердом теле преобразователя.Высота излучающей накладки .1 составляет одну шестую длины волны, высотатыльной накладки 7 - одну двенадцатую длины волны, а высота пьезоэлемента 5 соответственно равна тремдвенадцатым длины волны, укладываемой в твердом теле. Указанные геометрические соотношения элементов 1, 5 и7, а также соответствующий выбор скоростей распространения звука в твердом теле и заполняющей среды 9 ивыполнение армирукщей трубки ребристой формы позволяют произвести фазировку колебаний. Между поверхностью отверстия пьезоэлемента 5 и наружной поверхностью армирующей трубки 4 во избежание, электрического пробоя размещена изоляционная трубка 10.Акустический преобразователь работает следующим образом.При подаче на входные зажимы пьезоэлемента 5 напряжения 1-го полупериода радиоимпульса возбуждения, например, положительной полярности и величиной О, происходит увеличение его длины по обе стороны от узла колебаний, т. е, в месте расположения хомутика 6. Соответствующая эпюра колебательной скоростиизображена на Фиг, 2 (1). При этом внутри конической полости 8 тыльной накладки 7 возникает волна разряжения (фиг. 2, эпюра 11, полупериод А), распространяющаяся в сторону накладки 1 по материалу трубки 4 и среде 9, являющих; ся в данном случае волноводом. Скорости распространения звука в этих элементах равны. Подгонка скоростей достигается с помощью выполнения трубки 4 ребристой формы, Армирующая трубка 4 является фильтром кольцевого типа и состоит из полых дисковых резонаторов, колеблющихся на радиальной моде, и элементов связи в виде коротких цилиндрических оболочек. При подаче. на вход преобразователя второго полупериода возбуждающего напряжения произойдет сжатие пьезоэлемента 5, в результате чего в полости 8 накладки 7 возникает волна сжатия, распространяющаяся также в сторону накладки 1. Эпюра колебательной скорости 1 при этом примет вид, показанный на фиг, 2 штрих-пунктиром. Вследствие подачи на вход очередного (положительного) полупериода возбуждающегс напряжения размер пьезоэлемента 5, а, следовательно, и всего преобразователя по продольному размеру возрастет, что снова приведет к возникновению внутри полости 8 накладки 7 волны разряжения. Волна разряжения, которая возникла в первом полупериоде (полупериод А), на эпюре 1 займет положение А, а эпюрабудет выглядеть так же, как и для первого полупериода. Таким образом, на протяжении первых трех полуперио-. цов излучаемого радиоимпульса излучение производит только накладка 1, а колебательная энергия накладки 7 претерпевает временную задержку и не излучается в озвучиваемое пространство. Излучение в зто время произв одится т ак же, как и преобразователем-прототипом, т. е, одной накладкой. При подаче на вход преобразователя четвертого (отрицательного по полярности).полупериода радиоимпульса колебательная энергия тыльной накладки 7 достигнет активной поверхности накладки 1 и будет излучаться в Фазе с энергией этой накладки. Амплитуда выходного колебания возрастет примерно вдвое (зпюра 111, Фиг. 2), т. е. чувствительность в режиме излучения возрастет вдвое. Армирукщий элемент - трубка 4 в данном случае выполняет двоякую функцию: она исполь зуется по прямому назначению, т. е, создает статическое сжатие пьезоэлемента 5, и служит в качестве волновода для тыльной накладки 7. Необходимое усилие сжатия пьезоэлемента созда-ется путем соответствующего натяга с помощью армирующей гайки 3, Пло-. щадь активной поверхности тыльной накладки 7, образованная большим диаметром конической полости 8,может быть такой же по величине, что и пло% щадь накладки 1. Это обеспечивает симметричность молебаний преобразо" вателя и большое сопротивление излучения. Элементы. 1, 7, 5, 4 соединены между собой с помощью клея. форму 3) амплитудно-Фазового распределения на выходе преобразователя можно изменять,с помощью подбора скорости распространения звука в среду 9, в качестве которой может быть резина или водаи в трубке 4, а также путем варьирования величиной диаметра выходного отверстия в трубке 4. Это дает возможность получения требуемой ширины диаграмм направленности. В целях получения симметрии нагрузки накладок площади поверхности накладки 1 и выходного отверстия трубки 4 (или конического отверстия накладки 1) желательно выпблнить равными. Возможен вариант расширяющейся трубки или конического отверстия в гайке 3.При приеме колебаний описанный выше колебательный процесс в преобразователе протекает обратным Обра эом, т. е. волны движутся в направлении от излучающей накладки 1 в сторону тыльной накладки 7, которая возбуждается колебаниями, распространяющимися по трубке 4 и среде 9, с за.паздыванием, равным трем полупериодам. Это вытекает иэ принципа работы данного преобразователя (Фиг. 2). Поэтому для гармонических сигналов в режиме приема чувствительность будет выше, чем для сигналов случайной Формя, Сложение последних происходит в данном случае по среднеквадратичному закону вследствие временной задержки в волноводе (трубка 4 и среда 9) на три полупериода колебаний и некоррелированности задержанных полупериодов с вновь принимаежми и поступаемыми на вход накладки 1.Преобразователь обеспечивает увеличение чувствительности в режиме излучения и приема в два раза.формула изобретения1. Акустический преобразователь,содержащий пьезоактивный элемент ввиде пакета продольно-поляризованныхшайб, размещенный между тыльной ииэлучакщей накладками, и армирующийэлемент с гайкой, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности в режимах излучения и приема, в нем в тыльной накладке выполнена глухая коническаяполость, меньшим диаметром сопряженная с армирующим элементом, выполненным в виде трубки, отношение диаметра которой к внутреннему диаметру пьезоэлемента лежит в пределах 0,9-1,0,в излучающей накладке выполнена выемка под армирующую гайку, а пространство внутри армирующей трубки иконической полости тыльной накладкизаполнено звукопроводящей средой,отношение скорости распространениязвука г которой к скорости звука вматериале греобразователя равно 1: 3.2; Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что излучающая накладка выполнена с центральным коническим отверстием, площадьпоперечного сечения которого побольшому диаметру равна площади поверхности шайбы активной поверхности, а меньший диаметр равен диаметрувыемки под армирующую гайку.3. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что армирующая трубка выполнена с ребристойповерхностью.Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 435859, кл. В 06 В 1/06, 22.02.71.2. Орлов Л.В. и др. Расчет и проектирование антенн гидроакустическихрыбопоисковых станций. "Пищевая про-мышленность", М., 1974, с. 246 (прототип),845129Составитель И. Догаева РЕдактор Е. Братчикова Техред С. Мигунова Корректор Н. Швццкая Заказ 4137/3Тираж 732 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений,и.открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Филиал ППП фПатент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4