Пьезоэлектрический электромеханический преобразователь
Владельцы патента RU 2330389:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный Федеральный Университет" (RU)
Изобретение может быть использовано в многочастотной гидроакустической системе дальнего обнаружения и ближней классификации потенциально опасных объектов. Техническим результатом изобретения является простота конструкции, технологичность и повышение надежности. Пьезоэлектрический электромеханический преобразователь представляет собой монолитный пьезокерамический элемент, включающий керамическое тело в виде прямоугольного параллелепипеда, поляризованное по длине, и опоясывающие электроды, нанесенные на боковые поверхности. Длина керамического тела - полуволновый размер продольных колебаний на первой резонансной частоте, толщина - полуволновый размер для высшей частоты колебаний в жидкости, ширина выбирается в интервале от одного до двух размеров длины. Устройство обеспечивает близкие к поршневым механические колебания на нечетных гармониках первой резонансной частоты. 3 ил.
Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть применено в гидроакустических системах обнаружения и классификации объектов.
Известен пьезоэлектрический электромеханический преобразователь, включающий пакет пьезокерамических элементов, продольно поляризованных, электрически соединенных параллельно и подключенных к формирователю электрического сигнала, а также излучающую и тыльную накладки и армирующий элемент (Богородский В.В. и др. Подводные электроакустические преобразователи. Расчет и проектирование. Справочник. Л.: «Судостроение», 1983, стр.84-87). Преобразователь работает в узкой полосе частот, в окрестностях одной резонансной частоты. Составная гидроакустическая система, включающая несколько преобразователей с разными резонансными частотами, технически сложна и вследствие этого имеет низкую надежность.
Наиболее близкий аналог (European Patent Application: EP 1060798 Al, Date of publication: 20.12.2000, Bulletin 2000/51) включает пьезокерамический пакет, излучающую и тыльную накладки и кроме этого включает дополнительный центральный массивный элемент. Такой, так называемый «молотковый», ультразвуковой преобразователь имеет более широкую полосу рабочих частот - до 30% от центральной частоты, однако этого недостаточно для создания многочастотной гидроакустической антенны.
Заявляемый в качестве изобретения пьезоэлектрический электромеханический преобразователь позволяет создать на его основе гидроакустическую антенную систему, работающую в нескольких частотных ультразвуковых диапазонах: от низкочастотного (30-70 кГц) до высокочастотного (300-500 кГц).
Указанный технический эффект достигается тем, что пьезоэлектрический электромеханический преобразователь, включающий пьезокерамическую секцию с электродами для подключения к формирователю электрического сигнала и накладки, представляет собой монолитный пьезокерамический элемент, включающий керамическое тело в виде прямоугольного параллелепипеда, поляризованное по длине, и опоясывающие электроды, нанесенные на боковые поверхности, длина керамического тела h - полуволновый размер продольных колебаний на первой резонансной частоте, ширина b выбирается в интервале b=(1÷2)h, толщина а - полуволновый размер для высшей частоты колебаний в жидкости.
Создание пьезоэлектрического электромеханического преобразователя стало возможным благодаря новой конструкции его основных элементов. Выполнение преобразователя в виде прямоугольного параллелепипеда позволяет получить в широком частотном диапазоне продольные колебания, близкие к поршневым, для нечетных гармоник первой резонансной частоты. Следствием является возможность создания совмещенной гидроакустической системы дальнего обнаружения и ближней классификации объектов.
Наряду с расширением функциональных возможностей заявляемое устройство дает дополнительный эффект - упрощение конструкции, повышение технологичности, сокращение числа механических и электрических соединений обеспечивают существенное повышение надежности гидроакустической системы.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами. На фиг.1 изображены общий вид пьезоэлектрического электромеханического преобразователя и схема электрических соединений. На фиг.2 показана схема электрических соединений при поляризации преобразователя. На фиг.3 изображен общий вид модуля совмещенной гидроакустической антенны на основе заявленного преобразователя.
Устройство содержит монолитный пьезокерамический элемент 1 в виде прямоугольного параллелепипеда, на боковые поверхности которого нанесены опоясывающие электроды 2 и 3. Элемент 1 поляризован по длине, вдоль оси z. Для поляризации элемента 1 на него наносят технологические электроды 4 и 5, к которым на стадии поляризации прикладывают электрическое напряжение от источника 6. Электроды 2 и 3 наносят после поляризации любым способом, не разрушающим поляризованное состояние элемента 1, например вакуумным напылением.
Секция 7, расположенная между электродами 2 и 3, является активной частью преобразователя. Поляризации подвергают не только активную секцию 7, но весь преобразователь, чтобы повысить его температурную стабильность и надежность, так как температурные коэффициенты линейного расширения поляризованной и неполяризованной пьезокерамики существенно разнятся.
Электроды 2 и 3 электрически подключены через контактное устройство 8 к формирователю электрического сигнала 9. В случае применения преобразователя в составе трехчастотной гидроакустической системы формирователь 9 включает в себя электронный переключатель 10, генераторы колебаний 11, 12, 13 и усилитель 14. Генераторы 11, 12, 13 настроены на первую резонансную частоту и ее нечетные гармоники.
Размеры а, b, h пьезокерамического элемента 1 определяют из условий конкретного применения преобразователя. Размер h - основной частотозадающий размер, размер а - обеспечивает независимую работу преобразователей в составе фазированной решетки, размер b - определяет необходимую диаграмму направленности.
В случае применения преобразователя в составе гидроакустической антенны преобразователи собирают в модули, общий вид одного из которых показан на фиг.3. Элементы 1, разделенные акустическими экранами 15, размещают в обойме 16. Условно не показаны электрические соединения преобразователей и механические соединения с корпусом и согласующим элементом между преобразователями и жидкостью.
Устройство работает следующим образом. В случае применения преобразователя в составе гидроакустической антенны электронный переключатель 10 подключает секцию 7 преобразователя 1 к одному из генераторов 11, 12, 13 в зависимости от режима обнаружения или классификации объекта. В режиме излучения энергия электрических колебаний преобразуется в пьезокерамическом элементе в энергию механических колебаний, близких к поршневым, на одной из нечетных гармоник первой резонансной частоты. При этом на поверхности пьезокерамического элемента, примыкающей к согласующему элементу, отсутствуют противофазные участки движения, что обеспечивает высокую эффективность режима излучения. Далее механические колебания через согласующий элемент передаются в окружающую среду.
Принципиально возможно возбуждение элемента 1 приложением электрического сигнала к электродам 4 и 5, однако наличие секции 7 с электродами 2 и 3 позволяет снизить рабочее напряжение, упростить электронную аппаратуру и тем самым повысить надежность системы.
В режиме приема активная секция 7 подключается к усилителю 14 для формирования электрического сигнала, который далее обрабатывается по алгоритму обнаружения или классификации объекта.
Экспериментальный образец преобразователя с размерами h=27,05 мм, b=35,45 мм, а=2,15 мм продемонстрировал движение, близкое к поршневому, без противофазных смещений точек на торцевых поверхностях, на трех резонансных частотах: 61,1 кГц, 206,9 кГц, 352,4 кГц.
Предложенный пьезоэлектрический электромеханический преобразователь благодаря простоте своей конструкции, технологичности и высокой надежности может быть эффективно использован в многочастотной гидроакустической системе, предназначенной для дальнего обнаружения и ближней классификации донных и якорных мин и других потенциально опасных объектов.
Пьезоэлектрический электромеханический преобразователь, включающий пьезокерамическую секцию с электродами для подключения к формирователю электрического сигнала и накладки, отличающийся тем, что он представляет собой монолитный пьезокерамический элемент, включающий керамическое тело в виде прямоугольного параллелепипеда, поляризованное по длине, и опоясывающие электроды, нанесенные на боковые поверхности, длина керамического тела h - полуволновый размер продольных колебаний на первой резонансной частоте, ширина b выбирается в интервале b=(1÷2)h, толщина а - полуволновый размер для высшей частоты колебаний в жидкости.
