Электроакустический преобразователь

 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям и предназначено для использования в гидроакустике и воздушной звуковой технике. Электроакустический преобразователь содержит биморфную пьезоэлектрическую пластину и герметичный корпус, включающий две оболочки, размещенные по разные стороны от биморфной пластины. Отношение диаметра опорных частей корпуса к диаметру биморфной пластины выбирается в интервале 0,65-0,75. Устройство имеет низкую виброчувствительность при высокой технологичности и перспективно для использования в датчиках быстропеременного давления. 2 ил.

Изобретение относится к дисковым пластинчатым пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям и предназначено для использования в воздушной звуковой технике, датчиках пульсирующего давления и гидроакустике в качестве приемных и обратимых первичных преобразователей.

Известны конструкции дисковых пьезоэлектрических преобразователей с изгибными колебаниями, содержащие одну биморфную пластину, опертую или жестко закрепленную по контуру в герметизирующем корпусе [1]. Дисковые пьезоэлектрические преобразователи с изгибными колебаниями отличаются простотой конструкции и малыми габаритами, но обладают высокой виброчувствительностью, что во многих случаях ограничивает возможность их применения.

Наиболее близким аналогом является преобразователь, в котором для снижения виброчувствительности применяются две объединенные в единую конструкцию биморфные пластины (типа “звуковой ячейки” в электроакустике) [2]. В такой конструкции проще реализуются более эффективные условия свободного опирания контура [3] и появляется возможность снижения виброчувствительности за счет взаимной компенсации паразитных вибросигналов.

Однако получить действительно низкую виброчувствительность в известном устройстве затруднительно, так как требуются полностью идентичные биморфные элементы и идентичное закрепление краев, что при серийном производстве трудно выполнимо, то есть известное устройство нетехнологично.

Заявляемый в качестве изобретения электроакустический преобразователь позволяет при сохранении низкой виброчувствительности устройства повысить его технологичность.

Указанный технический эффект достигается тем, что в электроакустическом преобразователе, содержащем круглую биморфную пьезоэлектрическую пластину и герметичный корпус с кольцевой опорой, корпус включает две оболочки, расположенные по разные стороны от биморфной пластины. Одна из оболочек охватывает центральную часть биморфной пластины, другая оболочка имеет кольцевую форму и охватывает периферийную часть биморфной пластины. Между биморфной пластиной и периферийной частью кольцевой оболочки расположено акустически мягкое уплотнение. Отношение среднего диаметра опорных поверхностей двух оболочек к диаметру биморфной пластины выбирается в интервале 0,65-0,75.

Создание электроакустического преобразователя стало возможным благодаря новой конструкции корпуса, выбору соотношения диаметров опоры и биморфной пьезоэлектрической пластины и механически мягкому развязывающему соединению края пластины с корпусом. В результате такого выполнения преобразователя биморфная пластина получается полностью механически развязанной от корпуса, чем и достигается низкое (теоретически нулевое) значение виброчувствительности. При этом существенно повышается технологичность устройства, так как исключено применение идентичных биморфных пьезоэлектрических пластин и прецизионной сборки.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и фиг.1(а и б) и фиг.2. На фиг.1а изображен общий вид электроакустического преобразователя. На фиг.1б изображены эпюры колебаний биморфной пьезоэлектрической пластины, соответствующие приему акустического и вибрационного сигналов. На фиг.2 показан вариант соединения двух преобразователей, образующих “звуковую ячейку”.

Преобразователь содержит биморфную пьезоэлектрическую пластину 1, центральную 2 и периферийную 3 части корпуса в виде тонкостенных оболочек. Кольцевые опоры корпуса соединяются с биморфной пьезоэлектрической пластиной 1 через герметизирующие резиновые прокладки 4. Резиновая прокладка 5 обеспечивает акустически мягкое уплотнение между периферийными частями биморфной пьезоэлектрической пластины 1 и оболочки 3. Диаметр кольцевых опор d выбран равным 0,69D, где D - диаметр биморфной пьезоэлектрической пластины 1, и соответствует диаметру узловой линии свободной и колеблющейся на основной моде пластины. Оболочки 2 и 3 жестко соединены при помощи рамы 6 с набором стержней 7, обеспечивающей свободное прохождение акустического сигнала.

Возможен вариант соединения двух преобразователей, образующих “звуковую ячейку”, предназначенную, например, для применения в геофизических линейных буксируемых антеннах (фиг.2). Для повышения надежности и герметичности преобразователь полностью залит полиуретаном 8, что практически полностью сохраняет его акустические характеристики из-за близкого к воде (и к маслу, заполняющему антенну) волнового сопротивления.

Устройство работает следующим образом. В режиме излучения от внешнего генератора к преобразователю поступает электрический сигнал рабочей частоты. В биморфной пьезоэлектрической пластине 1 происходит электромеханическое преобразование энергии: пластина изгибается с рабочей частотой, преобразуя открытыми частями излучающей поверхности механические колебания в распространяющуюся в среде акустическую волну. Преобразователь практически полностью развязан от корпуса, что способствует получению высокого коэффициента полезного действия.

В режиме приема акустическое давление сигнала действует только на открытые поверхности биморфной пьезоэлектрической пластины 1, вызывая ее механические изгибные колебания с частотой принимаемого сигнала. Эпюра таких изгибных колебаний без перегибов изображена на фиг.1б (сплошная линия 9). В биморфной пьезоэлектрической пластине 1 происходит механоэлектрическое преобразование энергии и появление электрического напряжения с частотой сигнала. При этом эффективный коэффициент электромеханической связи и принимаемый акустический сигнал максимальны.

Вибрация, действуя через опоры и резиновые прокладки, вызывает изгиб биморфной пьезоэлектрической пластины 1 с перегибом (штриховая линия 10 на фиг.1б). При этом эффективный коэффициент связи на частоте резонанса вибраций и принимаемый вибрационный сигнал равны нулю. Таким образом, благодаря хорошей развязке от корпуса, его вибрации практически не приводят к искажениям принимаемого акустического сигнала.

Преимущества предлагаемого пьезоэлектрического электроакустического преобразователя: высокий коэффициент полезного действия и виброзащищенность, достигаемая без использования в одном устройстве двух биморфных пьезоэлектрических пластин с высокой идентичностью, - делают его перспективным для использования в датчиках быстропеременного давления и гидроакустике.

Источники информации

1. Камп Л. Подводная акустика. - М.: Мир, 1972, стр.164, 165.

2. Подводные электроакустические преобразователи. Справочник. Под ред. В.В. Богородского. - Л.: Судостроение, 1983, стр.104, 105.

3. Аронов Б.С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. - Л.: Энергоатомиздат, 1990, стр.185-194.

Формула изобретения

Электроакустический преобразователь, содержащий круглую биморфную пьезоэлектрическую пластину и герметичный корпус с кольцевой опорой, отличающийся тем, что корпус включает две оболочки, расположенные по разные стороны от биморфной пластины, одна из оболочек охватывает центральную часть биморфной пластины, другая оболочка имеет кольцевую форму и охватывает периферийную часть биморфной пластины, между биморфной пластиной и периферийной частью кольцевой оболочки расположено акустически мягкое уплотнение, а отношение среднего диаметра опорных поверхностей двух оболочек к диаметру биморфной пластины выбирается в интервале 0,65÷0,75.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2