Приемник градиента давления

 

Использование: в акустике. Сущность изобретения: приемник градиента давления содержит корпус, крышку в виде усеченного корпуса, инерционный элемент, пьезоэлементы емкостью C₁ и C₂, установленные на противоположных сторонах инерционного элемента, армирующий элемент в виде шпильки из материала с модулем Юнга (19 - 21)10¹⁰ Н/м², один конец которого жестко закреплен в корпусе, а другой соединен с крышкой резьбовым соединением. Все эти элементы расположены соосно. Приемник включает также четыре конденсатора емкостью C₁₁, C₂₁, C₁₂, C₂₂ соответственно, установленные в корпусе. Крышка и корпус расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через центр инерционного элемента перпендикулярно оси приемника, а отношение высоты боковой стенки крышки по образующей к ее толщине равно 8 - 9. Конденсаторы C₁₁ и C₁₂ соединены с пьезоэлементами электрически параллельно, а два других - последовательно. Величины емкостей выбраны из условия 1 ил.

Изобретение относится к акустической и сейсмоизмерительной технике и может быть использовано при конструировании акустических приемников и приемников сейсмических сигналов.

Известен пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус в виде основания и крышки, закрепленный одним концом в основании, другим в крышке стержень, на которой размещены кольцевой пьезоэлемент и подпружиненная инерционная масса, и истоковый повторитель, установленный в основании по периферии пьезоэлемента, причем отношения толщины основания к толщине стенки крышки и диаметра основания к диаметру стержня находятся в пределах 15-25 и 7-13 соответственно [1] К недостаткам данного преобразователя следует отнести его несимметричность относительно фазового центра, а также наличие тяжелого основания, облегчающее измерение вибраций, но делающее практически невозможным измерение параметров акустических полей.

Наиболее близким к изобретению является пьезоэлектрический тендем-датчик, содержащий две одинаковые пьезокерамические шайбы или пакет шайб с общим инерционным элементом. Пьезокерамические шайбы или пакеты шайб зажаты в общем корпусе симметрично по разные стороны от общего инерционного элемента. При этом в зависимости от направления поляризации пьезокерамики шайбы соединяются друг с другом параллельно или последовательно с тем, чтобы заряды с них суммировались. Паразитные (по направлению) вибрации вызывают возникновение электрических сигналов противоположных знаков, которые взаимно уничтожаются [2] Однако в этом приемнике взаимно уничтожаться будут лишь те заряды, возникновение которых связано с паразитными колебаниями, симметричными относительно центра инерционного элемент датчика.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение ортогональной виброзащищенности приемника и создание возможности унификации электроакустических параметров серии приемников.

Это достигается тем, что в приемник градиента давления, содержащий корпус с крышкой, расположенные в корпусе инерционный элемент и пьезоэлементы с емкостью С₁ и С₂, установленные на противоположных сторонах инерционного элемента и электрически соединенные друг с другом с возможностью суммирования сигналов, причем корпус, крышка, инерционный элемент и пьезоэлементы установлены соосно, введены армирующий элемент в виде шпильки из материала с модулем Юрга (19,0-21,0)˙10¹⁰ Н/м², один конец которого жестко закреплен в корпусе, а другой соединен с крышкой резьбовым соединением, и четыре корректирующих конденсатора емкостью С₁₁, С₁₂, С₂₁, С₂₂ соответственно, установленные в корпусе, а крышка выполнена в виде усеченного конуса, отношение диаметров большего и меньшего оснований которого равно 1,7-2,9, причем шпилька установлена вдоль оси приемника, корпус и крышка расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через центр инерционного элемента перпендикулярно оси приемника, конденсаторы емкостью С₁₁ и С₁₂ соединены с пьезоэлементами электрически параллельно, а конденсаторы емкостью С₂₁ и С ₂₂ последовательно, при этом величины емкостей выбраны из условия и отношение высоты боковой стенки крышки по образующей к ее толщине равно 8-9.

На чертеже схематично изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит корпус 1 с крышкой 2, армирующий элемент 3, пьезоэлементы 4 и инерционный элемент (инерционную массу) 5. Введенные внутрь корпуса электрические конденсаторы и электрические соединения пьезоэлементов на чертеже не показаны. Армирующий элемент 3 выполнен в виде шпильки. Крышка 2 представляет собой усеченный конус. Армирующая шпилька одним концом жестко закреплена в корпусе 1. Другой ее конец закреплен посредством резьбового соединения в крышке 2. Устройство симметрично относительно оси шпильки и относительно плоскости, расположенной перпендикулярно оси армирующего элемента и проходящей через его середину.

Устройство работает следующим образом.

Градиент звукового давления определяет величину силы, под действием которой корпус 1 и шпилька перемещаются относительно инерционного элемента 5. При этом инерционный элемент 5 воздействует на пьезоэлементы 4, деформируя их. Электрический сигнал, снимаемый с пьезоэлементов, пропорционален возникающему в них механическому напряжению и, следовательно, градиенту звукового давления. При этом учитывается, что размеры приемника малы по сравнению с длиной звуковой волны. Пьезоэлементы установлены с двух сторон от инерционного элемента, поэтому одни из них под его воздействием сжимаются относительно своего исходного состояния, другие растягиваются. В случае, если направления поляризации пьезоэлементов в сборке, расположенных по разные стороны от инерционного элемента, совпадают, сигналы на выходе их суммируются с разными знаками, т.е. вычитаются. В том случае, если направления поляризации пьезоэлементов противоположны, сигналы с них суммируются, при этом в количестве одного из электродов может служить инерционный элемент или корпус.

Воздействующие на приемник колебания акустического или вибрационного происхождения, направление которых не совпадает с направлением оси измерения, могут быть разложены на два, одно из которых совпадает с направлением оси измерения, а другое перпендикулярно ему. Последнее возбуждает в приемнике колебания, ортогональные его оси симметрии.

Введение в приемник армирующей шпильки и изготовление его симметричным относительно плоскости, перпендикулярной его оси и проходящей через центр инерционного элемента, позволяет исключить колебания типа консольных и обеспечить воздействие на пьезоэлементы только тех ортогональных колебаний, которые симметричны либо относительно указанной плоскости, либо относительно фазового центра приемника, совпадающего с центром инерционного элемента.

Электрические сигналы на выходе пьезоэлементов, соответствующие указанным колебаниям, взаимоуничтожаются при сложении сигналов с пьезоэлементов, расположенных по разные стороны от инерционной массы. Это справедливо для случая, когда пьезоэлементы идентичны по своим параметрам.

Поскольку разброс параметров серийно выпускаемых пьезопреобразователей обычно лежит в пределах 20% для уменьшения вклада указанных сигналов в результирующий сигнал на выходе приемника необходимо максимально уменьшить амплитуду ортогональных колебаний. Это может быть достигнуто путем подбора материала шпильки и степени ее растяжения. Величина модуля Юнга материала Е должна составлять (19,0-21,0)˙10¹⁰ Н/м².

Кроме того, на величину рассматриваемых паразитных сигналов оказывают существенное влияние геометрические и механические параметры корпуса и крышки, в которых крепится армирующая шпилька. Результаты экспериментального моделирования показали, что оптимальной формой крышки является усеченный конус со следующими геометрическими параметрами: отношение диаметров большего и меньшего оснований конуса лежит в пределах 1,7-2,9, отношение высоты боковой стенки крышки по образующей к ее толщине 8-9, угол при основании конуса составляет 45^о.

Такая крышка обладает достаточной жесткостью, чтобы предохранить преобразователь от механических воздействий, вывести собственные частоты крышки из частотного диапазона работы преобразователя, максимально уменьшить стрелку прогиба крышки, что особенно важно, когда для достижения требуемой величины Е шпилька подвергается растягиванию.

С целью унификации акустоэлектрических параметров серии приемников и дополнительного выравнивания параметров пьезоэлементов в приемниках используется коррекция с помощью электрических конденсаторов, располагаемых внутри корпуса приемника. Параллельно и последовательно с каждым пьезоэлементом включены конденсаторы, емкости которых определяются на основании формул ; + C_o где С₁, С₂ емкости пьезоэлементов, расположенных по разные стороны от инерционного элемента; С₁₁, С₂₁ емкости конденсаторов, включенных параллельно С₁ и С₂ соответственно; С₁₂, С₂₂ емкости конденсаторов, включенных последовательно С₁ и С₂; С_о результирующая емкость пьезоэлементов, входящих в состав приемников унифицируемой серий.

Использование указанной емкостной коррекции позволяет в значительной степени выравнять как параметры пьезоэлементов, входящих в состав одного приемника, так и электроакустические параметры серии приемников.

Формула изобретения

ПРИЕМНИК ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус с крышкой, расположенные в корпусе инерционный элемент и пьезоэлементы с емкостями C₁ и C₂, установленные на противоположных сторонах инерционного элемента и электрически соединенные друг с другом с возможностью суммирования сигналов, причем корпус, крышка, инерционный элемент и пьезоэлементы установлены соосно, отличающийся тем, что в него введены армирующий элемент в виде шпильки из материала с модулем Юнга (19 - 21) · 10¹⁰ Н/м², один конец которого жестко закреплен в корпусе, а другой соединен с крышкой резьбовым соединением, и четыре корректирующих конденсатора емкостью C₁₁, C₂₁, C₁₂, C₂₂ соответственно, установленные в корпусе, а крышка выполнена в виде усеченного конуса, отношение диаметров большего и меньшего оснований которого равно 1,7 - 2,9, причем шпилька установлена вдоль оси приемника, корпус и крышка расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через центр инерционного элемента перпендикулярно оси приемника, конденсаторы емкостью C₁₁ и C₁₂ соединены с пьезоэлементами электрически параллельно, а конденсаторы емкостью C₂₁ и C₂₂ - последовательно, при этом величины емкостей выбраны из условия

а отношение высоты боковой стенки крышки по образующей к ее толшине равно 8 - 9.

РИСУНКИ

Рисунок 1