Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмоакустический приемник

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения параметров колебаний при акустических и сейсмических колебаниях жидких сред и грунтов. Цель изобретения заключается в повышении чувствительности по напряжению при сохранении рабочей полосы частот. Устройство содержит корпус, инерционный элемент, три пары пьезоэлектрических пакетов, связанных армирующими шпильками с инерционной массой. Пьезоэлектрические пакеты выполнены в виде консольной балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к наружному диаметру равно двум. 1 ил.

СОЮЗ СО8ЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 V 1/16

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 4 4 (Э

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4710868/25 (22) 27,06.89 (46) 07.03.92. Бюл, М 9 (71) Ленинградский кораблестроительный институт (72) А,А.Барихин, О.А.Квятковский, В.Н.Кочедыков и Д.M.Ðîñòîâöåâ (53) 550.834 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1092446, кл. G 01 V 1/16, 1983.

Авторс«ое свидетельство СССР

N 1157389, кл. 6 01 N 1/16, 1983.

Авторское. свидетельство СССР

Й . 834404, кл. 6 01 Н 1/04, 1979. (54) ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЙ

ПРИЕМНИК

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения параметров колебаний при акустических и сейсмических колебаниях жидких сред и грунтов.

Известен трехкомпонентный сейсмограф, который состоит из корпуса, центральной массы с дополнительной крестовиной, пьезоэлементов, работающих на изгиб и наклеенных на мембраны.

Недостаток данного устройства состоит. в том, что при больших массах ударопрочность пьезоэлементов, работающих на колебаниях изгиба, недостаточна.

Известно устройство для регистрации трех компонент сейсмических колебаний, в котором используются удлиненные пьезоэлементы, расположенные между корпусом и инерционной массой, работающие на сжатие.

„, SU(, 1718173 А1 (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения параметров колебаний при акустических и сейсмических колебаниях жидких сред и грунтов. Цель изобретения заключается в повышении чувствительности по напряжению при сохранении рабочей полосы частот. Устройство содержит корпус, инерционный элемент, три пары пьезоэлектрических пакетов, связанных армирующими шпильками с инерционной массой. Пьезоэлектрические пакеты выполнены в виде консольной балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к наружному диаметру равно двум. 1 ил.

Однако конструктивная схема их поджатия приводит к другим зависимостям оптимальных размеров пьезоэлементов от рабочей полосы частот.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является трехкомпонентный вибродатчик, содержащий общий инерционный элемент (масса), упругие стяжки в виде шпильки (в последовательной силовой армирующей цепи), пьезопакеты.

Основной недостаток такого вибродатчика заключается в низкой чувствительности, так как форма и размеры пьезоэлектрического пакета не оптимизированы (с учетом сохранения рабочей полосы частот).

Цель изобретения — повышение чувствительности по напряжению при сохранении рабочей полосы частот.

1718173

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем корпус, общий инерционный элемент, размещенный с зазором относительно корпуса, три пары пьезоэлектрических пакетов, расположенных по трем взаимно перпендикулярным осям, проходящим через центр инерционной массы, связанных с инерционной массой посредством шпилек, пьезоэлектрический пакет выполнен в виде консольной балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к его наружному диаметру равно двум.

Возможность повышения чувствительности при сохранении рабочей полосы частот (и ропор цио нал ьной верхней рабочей частоте и, следовательно, резонансной частоте сейсмоприемника) обоснована исходя из условий равенства резонансных частот продольных и поперечных колебаний, так как наличие любого резонанса одинаково ограничивает сверху рабочую полосу частот. При рассмотрении продольных колебаний сейсмоприемника введем допущения о том, что полная жесткость последовательной механической цепи определяется элементом с минимальной жесткостью, в нашем приборе — жесткостью шпильки. Кроме того, введем коэффициенг 2, так как при продольных колебаниях масса М связана с двумя шпильками. С учетом этого квадрат резонансной частоты продольных колебаний равен

2Кш 2Еш$ш о прод 2 ( где Еш . — модуль упругости материала шпильки;

SnI — площадь сечения шпильки;

L — длина шпильки;

K — упругость шпильки.

Квадрат резонансной частоты поперечных колебаний пьезоэлектрического пакета, как консольной балки, равен (при условии пренебрежения поперечной жесткостью стягивающей шпильки, имеющей значительно меньший диаметр, чем диаметр пьезопакета) и . 1,875 ЕкЗпп

)2 3„

35Е капп (2 )2 э где Ек — модуль упругости пьезокерамики;

2 4

1пп 2 64 МОМЕНТ ИНЕРЦИИ

Snn KO

64 поперечного сечения пьеэопакета;

Snn — площадь пьезопакета;

О, L- наружный диаметр и длина пьезопакета;

mnn — масса пьезопакета.

Введем условие равенства резонансных частот продольных и поперечных колебаний и определим исходя из этого условия соотношение между длиной и диаметром пьезопакета

L ш пп к

0 28,7 ($ш Еш mnn

Подставив реальные значения параметров, характерных для подгруппы сейсмоприемников, включающей известное и предлагаемое устройство, Е = 0,62 ° 10

Н/м, Еш = 2,1 ° 10 Н/м; = 1,25, 2, -ш

Snn М L

= 10, = 35., получим — = 2, $e mnn

Итак, при L/0 = 2 частоты продольных и поперечных колебаний равны, поэтому рабочая полоса частот сохраняется. При увеличении отношения L/0 и/ оисходит снижение пропорционально L резонансной частоты поперечных колебаний и, соответственно, снижение рабочей полосы частот, С другой стороны, известно что при уменьшении длины L (при заданном диаметре пьезоэлемента) чувствительность по напряжению пьезоэлектрического приемника падает. Таким образом. доказана оптимальность. соотношения L/О = 2, при котором чувствительность предлагаемого устройства существенно выше, чем у известного при неизменности рабочей полосы частот.

В случае использования составов пьезокерамики с другими параметрами, варьируя ..отношениями $пп/$ш или М/m» можно добиться, чтобы отношение L/0 равнялось двум. В этом случае преимущества предлагаемого устройства по сравнению с известным сохраняются, На чертеже приведена конструктивная схема трехкомпонентного сейсмоакустиче ского приемника.

Приемник состоит из корпуса 1, общего инерционного элемента 2, шести пьезоэлектрических пакетов 3, набранных из четырех пьезоэлементов каждый. Пьезоэлектрический пакет своим основанием уперт в дно стакана 4, а сверху через шпильку 5 при помощи гайки 6 и шайбы 7 связан.инерционным элементом.

Сейсмоакустический приемник работает следующим образом, Под действием акустической или сейсмической волны возбуждаются колебания контактирующего с окружающей средой корпуса 1 приемника. Инерционный элемент 2 в соответствии с теорией колебаний колеблется с некоторым запаздыванием по

1718173 кетов, консольно закрепленных на корпусе, оси которых расположены по трем взаимно перпендикулярным осям, проходящим через центр инерционной массы, соединен-

5 ных с инерционной массой посредством армирующих стяжек в виде шпилек, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности по напряжению при сохранении рабочей полосы частот, каждый из

10 пьезоэлектрических пакетов выполнен в виде балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к его наружному диаметру равно двум. амплитуде и фазе относительно колебаний корпуса. Со стороны инерционного элемента возникает сила инерции, действующая на пьезопакеты 3, вследствие чего возникает деформация этих пьезопакетов и на их выходе появляется электрический сигнал.

Формула изобретения

Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмоакустический и риемник, содержащий корпус, инерционный элемент, установленный с зазором относительно корпуса, три пары пьезоэлектрических паСоставитель B.Êî÷åäûêîâ

Техред М.Моргентал Корректор Патай

Редактор С.Пекарь

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 880 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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