Устройство для преобразования энергии колебаний

 

Использование: электроакустика и вибротехника. Сущность изобретения: устройство для преобразования энергии колебаний содержит криволинейный резонатор механических колебаний с полостью и крепежным элементом, преобразующий элемент, закрепленный с натягом в полости резонатора механических колебаний, инерционные массы. Стенка резонатора механических колебаний выполнена с разрезами, образующими систему стержней. Инерционные массы закреплены на соответствующих стержнях резонатора механических колебаний в пучности его смещений. Крепежный элемент выполнен с возможностью соединения с возбуждаемым элементом или с источником механических колебаний. 6 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электроакустике и вибротехнике и может быть использовано для преобразования энергии электрических колебаний в энергию механических колебаний, а также для преобразования энергии механических колебаний в электрическую энергию или в тепловую.

Известен составной пьезоэлектрический преобразователь стержневого типа, содержащий полости в акустическом резонаторе (авт. св. СССР N 221403, кл. B 06 B 1/00, 1967). Преобразователь содержит соединенные с помощью клея пьезокерамические пластины, тыльные накладки и средний вкладыш с системой отверстий.

Основным недостатком известного преобразователя является недостаточно высокая механическая добротность, обусловленная наличием склейки.

Известен составной электроакустический преобразователь стержневого типа [1] содержащий монолитный акустический резонатор с полостью и крепежным элементом, расположенными в узловой области механических смещений резонатора, и пьезоэлемент, закрепленный с натягом в полости акустического резонатора. Отсутствие клеевых соединений позволяет увеличить добротность составного электроакустического преобразователя.

Недостатком указанного устройства является большой габаритный размер вдоль его продольной оси при заданной основной резонансной частоте преобразователя.

Известно устройство для преобразования энергии колебаний [2] содержащее криволинейный резонатор механических колебаний с полостью и крепежным элементом и преобразующий элемент, закрепленный в полости резонатора механических колебаний с натягом.

Выполнение резонатора механических колебаний криволинейным позволяет уменьшить габариты преобразователя при сохранении основной резонансной частоты.

Недостатком этого преобразователя является малое количество преобразованной энергии колебаний на низких частотах из-за большой изгибной жесткости стенки резонатора механических колебаний.

Целью изобретения является увеличение количества преобразованной энергии колебаний на низких частотах.

Цель достигается за счет того, что в устройство для преобразования энергии колебаний, содержащее криволинейный резонатор механических колебаний с полостью и крепежным элементом, преобразующий элемент, закрепленный с натягом в полости резонатора механических колебаний, дополнительно введены инерционные массы, а стенка резонатора механических колебаний выполнена с разрезами, образующими систему стержней, причем инерционные массы закреплены на соответствующих стержнях резонатора механических колебаний в пучности его смещений, а крепежный элемент резонатора механических колебаний выполнен с возможностью соединения с возбуждаемым элементом или с источником механических колебаний.

При этом преобразующий элемент может быть выполнен в виде пьезоэлемента, магнитостриктора или диссипативного поглотителя механических колебаний.

Крепежный элемент резонатора механических колебаний может быть расположен со стороны внешней или внутренней поверхности резонатора механических колебаний.

Преобразующий элемент и крепежный элемент резонатора механических колебаний могут быть расположены по разные стороны или по одну сторону от плоскости поперечного сечения резонатора механических колебаний, проходящей через его собственный узел механических смещений.

Для возбуждения изгибных колебаний стержня центр инерции инерционной массы может быть расположен на продольной оси стержня резонатора механических колебаний.

Кроме того, для одновременного возбуждения изгибных и крутильных колебаний стержня центр инерции инерционной массы может быть смещен относительно продольной оси стержня резонатора механических колебаний.

На фиг. 1 схематически изображено устройство для преобразования энергии колебаний, в котором крепежный элемент резонатора механических колебаний расположен со стороны внешней поверхности резонатора механических колебаний, а преобразующий элемент и крепежный элемент резонатора механических колебаний расположены по разные стороны от плоскости поперечного сечения резонатора механических колебаний, проходящей через его собственный узел механических смещений.

На фиг. 2 показан вариант устройства для преобразования энергии колебаний, в котором крепежный элемент резонатора механических колебаний расположен со стороны внутренней поверхности резонатора механических колебаний, а преобразующий элемент и крепежный элемент резонатора механических колебаний расположен по одну сторону от плоскости поперечного сечения резонатора механических колебаний, проходящей через собственный узел механических смещений.

На фиг. 3 показаны варианты размещения центра инерции инерционной массы относительно продольной оси стержня резонатора механических колебаний.

На фиг. 4 показан вариант устройства для преобразования энергии колебаний, в резонаторе механических колебаний которого возбуждаются одновременно изгибные и крутильные колебания стержней.

Устройство содержит (фиг. 1) резонатор 1 механических колебаний с полостью 2 и крепежным элементом 3 резонатора 1 механических колебаний. В полости 2 с натягом закреплен преобразующий элемент 4. Натяг обеспечивается выбором размеров полости, преобразующего элемента и упругой статической деформацией контактирующих деталей. Стенка резонатора 1 механических колебаний выполнена с разрезами 5, которые образуют систему стержней 6. Стержни 6 резонатора 1 механических колебаний снабжены инерционными массами 7, размещенными в области пучности смещений резонатора 1 механических колебаний. Крепежный элемент 3 резонатора 1 механических колебаний выполнен с возможностью соединения с возбуждаемым элементом или с источником механических колебаний, что эквивалентно, поскольку каждое из перечисленных соединений обуславливает появление силы F (фиг. 1) или (и) момента М1 (фиг. 4), приложенных к крепежному элементу 3.

Предложенная форма выполнения резонатора механических колебаний позволяет, с одной стороны, более равномерно и механически сильнее нагрузить преобразующий элемент, что приводит к увеличению коэффициента связи между преобразующим элементом и резонатором, с другой стороны, с помощью разрезов устраняются тангенциальные механические напряжения в стенке резонатора, что приводит к увеличению изгибающих моментов М (фиг. 1), действующих на отдельный стержень стенки резонатора. Снабжение стержней инерционными массами также увеличивает изгибающий момент М, амплитуду колебаний f (фиг. 1) стержней на низких частотах, а следовательно, и количество преобразованной энергии колебаний на низких частотах.

Преобразующий элемент 4 может быть выполнен в виде пьезоэлемента, магнитостриктора или диссипативного поглотителя механических колебаний.

Крепежный элемент 3 резонатора 1 механических колебаний может быть расположен со стороны внешней (фиг. 1) или внутренней (фиг. 2) поверхности резонатора 1 механических колебаний.

Преобразующий элемент 4 и крепежный элемент 3 могут быть расположены по разные стороны (фиг. 1) или по одну сторону (фиг. 2) от плоскости поперечного сечения ВВ резонатора 1 механических колебаний, проходящей через его собственный узел механических смещений.

Центр 8 инерции инерционной массы 7 может быть расположен как на продольной оси 0'0' стержня 6, так и быть смещен относительно продольной оси 0'0' стержня 6 (фиг. 3).

В резонаторе 1 механических колебаний могут возбуждаться как изгибные (фиг. 1), так и изгибно-крутильные (фиг. 4) колебания стержней 6. Стрелки c и d на фиг. 4 указывают направления изгибно-крутильных колебаний стержней 6.

Резонатор 1 механических колебаний может быть выполнен из любого твердого материала с малым поглощением звука и иметь расположение стержней 6 в рядной (фиг. 1), осесимметричной или другой форме. Соответственно поперечное сечение полости 2 может быть в плане прямоугольным, круглым или другой формы.

Крепежный элемент 3 может быть выполнен в виде пластины (фиг. 1), сплошного или полого стержня (фиг. 2) прямоугольного, круглого или любого другого сечения.

Преобразующий элемент 4 может быть выполнен в виде пластины, стержня, пакета пластин или набора стержней, в виде одного общего для всех стержней 6 элемента (фиг. 1) или отдельных секций (фиг. 4). Отдельные секции преобразующего элемента 4 могут быть закреплены между стержнями 6 (фиг. 4) или между крепежным элементом 3 и одним из стержней 6. Преобразующий элемент 4 может быть закреплен в полости 2 как перпендикулярно оси 00 резонатора 1 механических колебаний (фиг. 1), так и параллельно оси 00 (фиг. 2), для чего на крепежном элементе 3 могут быть выполнены специальные выступы 9 (фиг. 2).

Разрезы 5 стенки резонатора механических колебаний 1 могут быть выполнены как параллельно продольной оси резонатора 00 (фиг. 1), так и под углом к ней, и иметь искривленную или фигурную форму.

Стержни 6 резонатора 1 механических колебаний могут быть прямолинейными или искривленными вдоль своей продольной оси, сплошными или трубчатыми, а в сечении иметь прямоугольную, круглую или любую другую форму.

Резонатор 1 механических колебаний, его крепежный элемент 3, стержни 6 и инерционные массы 7 могут быть выполнены как за одно целое, так и в виде отдельных соединенных между собой деталей.

Устройство работает следующим образом. В режиме преобразования энергии электрических колебаний при подаче на преобразующий элемент 4 (пьезоэлемент или магнитостриктор) электрического напряжения (см. фиг. 1) в преобразующем элементе 4 возникают механические колебания, которые через акустический контакт, обеспеченный натягом преобразующего элемента 4, передаются в резонатор 1 механических колебаний. При совпадении частоты электрического напряжения с собственной частотой резонатора 1 механических колебаний в последнем возбуждаются изгибные колебания стержней 6. При этом смещениям f стержней 6 соответствуют изгибающие моменты М и сила F, действующая со стороны крепежного элемента 3 на возбуждаемый элемент. При возбуждении в резонаторе 1 изгибно-крутильных колебаний стержней 6 (фиг. 4) на крепежном элементе 3 дополнительно к силе F возникает крутящий момент M₁ относительно оси 00 резонатора 1 механических колебаний, который тоже передается на возбуждаемый элемент.

В режиме преобразования энергии механических колебаний колебания источника механических колебаний через крепежный элемент 3 возбуждают резонатор 1 механических колебаний силой F (фиг. 1) или (и) крутящим моментом М₁ относительно оси 00 (фиг. 4). В результате воздействия силы F или (и) крутящего момента М₁ стержни 6 резонатора 1 механических колебаний совершают изгибные (фиг. 1) или изгибно-крутильные (фиг. 4) колебания, которые резонатором 1 механических колебаний трансформируются в продольные колебания преобразующего элемента 4. При совпадении частоты механических колебаний источника с собственной частотой резонатора 1 механических колебаний механические напряжения в преобразующем элементе 4 достигают максимальной величины, а энергия механических колебаний источника преобразуется преобразующим элементом 4 в электрическую энергию, если преобразующий элемент 4 выполнен в виде пьезоэлемента или магнитостриктора, или в тепловую энергию, если преобразующий элемент 4 выполнен в виде диссипативного поглотителя механических колебаний.

При этом из-за уменьшения изгибной жесткости стенки резонатора 1 механических колебаний и увеличения инерционной массы, колеблющейся в пучности смещений резонатора 1 механических колебаний, увеличивается количество преобразованной энергии колебаний на низких частотах.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ КОЛЕБАНИЙ, содержащее криволинейный резонатор механических колебаний с полостью и крепежным элементом, преобразующий элемент, закрепленный с натягом в полости резонатора механических колебаний, отличающееся тем, что в него введены инерционные массы, а стенка резонатора механических колеаний выполнена с разрезами, образующими систему стержней, причем инерционные массы закреплены на соответствующих стержнях резонатора механических колебаний в пучности его смещений, а крепежный элемент резонатора мехавнических колебаний выполнен с возможностью соединения с возбуждаемым или источником механических колебаний.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразующий элемент выполнен в виде магнитостриктора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразующий элемент выполнен в виде диссипативного поглотителя механических колебаний.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что крепежный элемент резонатора механических колебаний расположен со стороны внешней поверхности резонатора механических колебаний.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что преобразующий элемент и крепежный элемент резонатора механических колебаний расположены по одну сторону от плоскости поперечного сечения резонатора механических колебаний, проходящей через его собственный узел механических смещений.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центр инерции инерционной массы расположен на продольной оси стержня резанатора механических колебаний.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центр инерции инерционной массы смещен относительно продольной оси стержня резонатора механических колебаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4