Пьезоэлектрический электроакустический преобразователь
Владельцы патента RU 2302709:
Общество с ограниченной ответственностью "Си Технолоджи Инструментс" (RU)
Изобретение относится к пластинчатым пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям, используемым в качестве гидрофона. Техническим результатом изобретения является повышение надежности устройства при сохранении его высокой чувствительности. Пьезоэлектрический электроакустический преобразователь содержит два биморфных пьезоэлектрических элемента, каждый из которых состоит из металлической и пьезокерамической пластин, металлическое основание, включающее трубчатый элемент и два кольцевых элемента, звукопровод в виде кольцеобразного упругого резинового элемента и ввод для подключения к формирователю электрического сигнала. Кольцевые элементы основания снабжены кольцевыми выступами и герметично соединены с резиновым элементом. Внешняя цилиндрическая поверхность резинового элемента находится в акустическом контакте с рабочей средой. 3 ил.
Изобретение относится к пластинчатым пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям и предназначено для использования в гидроакустике в качестве гидрофона.
Известен дисковый пластинчатый пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два биморфных пьезоэлектрических элемента, пассивные части которых сварены вместе, а пьезокерамические пластины через герметизирующую мембрану находятся в акустическом контакте с окружающей средой [1]. Известный преобразователь имеет простую конструкцию, но обладает недостаточной защищенностью от ударных воздействий и недостаточной чувствительностью, так как зажатый по кромке биморфный пьезоэлемент - простое, но неоптимальное конструктивное решение, снижающее эффективную поверхность пьезопреобразователя. Другие известные способы герметизации, например с помощью сильфона, также не обеспечивают достаточную ударозащищенность преобразователя.
Наиболее близким аналогом является гидрофон, содержащий два биморфных пьезоэлектрических элемента, разделенных звукопроводом, находящимся в акустическом контакте с окружающей средой [2].
Устройство компактно, имеет низкую величину гармонического искажения сигнала. Однако известное устройство имеет сложную конструкцию и, как и другие прямоугольные электроакустические преобразователи, недостаточно технологично. Конструкция устройства не обеспечивает его ударопрочность. Эти недостатки снижают надежность устройства, особенно при его применении в геофизических линейных буксируемых антеннах, работающих в старт-стоповом режиме, при котором антенна периодически погружается, ложится на грунт и поднимается.
Заявляемый в качестве изобретения пьезоэлектрический электроакустический преобразователь позволяет повысить надежность устройства при сохранении его высокой чувствительности.
Указанный технический эффект достигается тем, что в пьезоэлектрическом электроакустическом преобразователе, содержащем два биморфных пьезоэлектрических элемента, каждый из которых состоит из металлической и пьезокерамической пластин, звукопровод, расположенный между поверхностями металлических пластин биморфных элементов, металлическое основание и ввод для подключения к формирователю электрического сигнала, биморфные элементы выполнены кольцевыми, основание включает трубчатый элемент и два кольцевых элемента, соосные с биморфными элементами, жестко закрепляющие биморфные элементы на основании и акустически изолирующие внешние поверхности биморфных элементов от рабочей среды, при этом кольцевые элементы основания снабжены кольцевыми выступами, охватывающими внешнюю цилиндрическую поверхность биморфных пластин, звукопровод представляет собой кольцеобразный упругий резиновый элемент, снабженный кольцевыми выступами и герметически соединенный с кольцевыми элементами основания, а внешняя цилиндрическая поверхность резинового элемента находится в акустическом контакте с рабочей средой.
Создание пьезоэлектрического электроакустического преобразователя стало возможным благодаря новой конструкции звукопровода и кольцевых элементов основания, позволяющей осуществить надежную герметизацию внутреннего объема гидрофона и эффективную передачу звуковых колебаний рабочей среды к биморфным пластинам. При этом упругий резиновый элемент, одновременно с надежной герметизацией, производит эффективное преобразование колебаний наружной цилиндрической поверхности в изгибные колебания биморфных элементов благодаря высокому значению коэффициента Пуассона в материале звукопровода. Таким образом сохраняется высокое значение чувствительности преобразователя. Совмещение функций герметизации и передачи звукового сигнала в одном элементе позволило существенно упростить конструкцию устройства, повысить его технологичность и, в конечном счете, получить основной технический эффект изобретения: повышение надежности гидрофона и геофизической антенны.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами: фиг.1, 2, 3. На фиг.1 изображен общий вид пьезоэлектрического электроакустического преобразователя. На фиг.2 показана схема установки электроакустического преобразователя в гидрофонном отсеке геофизической антенны. На фиг.3 представлена схема расположения геофизической антенны в рабочем положении.
Устройство содержит два кольцевых биморфных элемента 1 и 2, состоящих из металлических пластин 3 и 4 и пьезокерамических пластин 5 и 6. Биморфные элементы 1 и 2 жестко закреплены в основании, включающем трубчатый элемент 7 и два кольцевых элемента 8 и 9. В изображенном на фиг.1 примере выполнения устройства кольцевые элементы 8 и 9 имеют внутренние резьбы разных направлений, а трубчатый элемент 7 снабжен соответствующими наружными резьбами. Кольцевые элементы 8 и 9 снабжены кольцевыми выступами 10 и 11, охватывающими внешние цилиндрические поверхности биморфных элементов 1 и 2. Между металлическими пластинами 3 и 4 биморфных элементов 1 и 2 помещен кольцевой упругий резиновый элемент 12, снабженный кольцевыми выступами 13 и 14, герметично соединенными с выступами 10 и 11 кольцевых элементов основания 8 и 9.
При сборке устройства обеспечивают жесткое закрепление биморфных элементов 1 и 2 между трубчатым элементом 7 и кольцевыми элементами 8 и 9, а также плотное соединение упругого резинового элемента 12 с металлическими пластинами 3 и 4. Внешние электроды пьезокерамических пластин 5 и 6 электрически соединены с вводом 15 для подключения к формирователю электрического сигнала 16.
Для применения устройства в геофизической антенне 17 (фиг.3) оно закрепляется в гидрофонном отсеке 18 (фиг.2,3) при помощи прижимного кольца 19 и герметизирующих колец 20, надетых на кольцевые элементы основания 8 и 9. В корпусе гидрофонного отсека 18 выполнены прорези 21 для акустического контакта упругого элемента 12 с рабочей средой.
Геофизическая антенна 17 содержит несколько десятков корпусов, соединенных кабель-тросом. В корпусах, кроме электронной аппаратуры, находится ряд датчиков, в том числе - гидрофоны. Сквозное продольное отверстие трубчатого элемента основания 7 служит для пропускания проводов, соединяющих узлы электронной аппаратуры.
Устройство работает следующим образом.
Звуковые колебания рабочей среды через прорези 21 передаются на упругий резиновый элемент 12, который преобразует их в изгибные колебания биморфных элементов 1 и 2. Суммарный электрический сигнал с пьезокерамических пластин 5 и 6 поступает через ввод 15 на формирователь 16 для дальнейшей обработки в геофизической аппаратуре.
Изгибный преобразователь с опорой в центральной части имеет большую эффективную поверхность, чем преобразователи с закрепленной или опертой внешней кромкой, что обеспечивает высокую чувствительность предложенного устройства.
Кроме того, новая конструкция позволяет сочетать в предложенном устройстве преимущества центрального закрепления биморфных элементов с высокой ударозащищенностью гидрофона и, следовательно, обеспечить высокую надежность геофизической антенны, работающей в старт-стоповом режиме.
Источники информации
1. Богородский В.В. и др. Подводные электроакустические преобразователи. Расчет и проектирование. Справочник. Л.: "Судостроение", 1983, стр.104, 105.
2. Патент США №5675556, М. Кл. Н04R 17/00, 1997.
Пьезоэлектрический электроакустический преобразователь, содержащий два биморфных пьезоэлектрических элемента, каждый из которых состоит из металлической и пьезокерамической пластин, звукопровод, расположенный между поверхностями металлических пластин биморфных элементов, металлическое основание и ввод для подключения к формирователю электрического сигнала, отличающийся тем, что биморфные элементы выполнены кольцевыми, основание включает трубчатый элемент и два кольцевых элемента, соосные с биморфными элементами, жестко закрепляющие биморфные элементы на основании и акустически изолирующие внешние поверхности биморфных элементов от рабочей среды, при этом кольцевые элементы основания снабжены кольцевыми выступами, охватывающими внешнюю цилиндрическую поверхность биморфных пластин, звукопровод представляет собой кольцеобразный упругий резиновый элемент, снабженный кольцевыми выступами и герметично соединенный с кольцевыми элементами основания, а внешняя цилиндрическая поверхность резинового элемента находится в акустическом контакте с рабочей средой.
