Устройство для измерения параметров изгибных пьезокерамических преобразователей
Владельцы патента RU 2697432:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области гидроакустики. Устройство для измерения параметров изгибных пьезокерамических преобразователей содержит гидравлическую камеру высокого давления, снабженную эластичной мембраной, излучатель звука, образцовый и контролируемый преобразователи. В качестве излучателя используется пьезокерамический обратимый преобразователь, аналогичный образцовому и расположенный внутри камеры, а контролируемый изгибный пьезокерамический преобразователь расположен на внешней стороне камеры, при этом гидростатическое и звуковое давление на него передается через эластичную мембрану. Технический результат - возможность измерения параметров без предварительной герметизации преобразователей. 3 ил.
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке гидрофонов, основанных на изгибных пьезокерамических преобразователях.
Изгибные (пластинчатые) пьезокерамические преобразователи (пьезопреобразователи) имеют широкое распространение в гидроакустике. При их помощи удается создавать малогабаритные глубоководные гидрофоны. Основой изгибных (пластинчатых) преобразователей для гидрофонов является полупассивный биморф, содержащий склеенные между собой металлическую и пьезокерамическую пластины. Наиболее распространены биморфы круглого типа, как наиболее технологичные в изготовлении. Металлическая пластина препятствует разрушению преобразователя гидростатическим давлением. Электроакустические параметры преобразователя (чувствительность и электрическая емкость) зависят от соотношения толщин и диаметров пьезокерамической и металлической пластин, от формы металлической пластины и способа ее крепления к корпусу гидрофона (свободное опирание по контуру, клеевое соединение или сварка).
При воздействии гидростатического давления на преобразователь возникают статические нагрузки в пьезокерамике. Это приводит к изменению ее пьезомодуля и диэлектрической проницаемости и, как следствие, к изменению чувствительности и электрической емкости преобразователя. Зависимость чувствительности от гидростатического давления является важной характеристикой гидрофона.
Расчеты изгибных (пластинчатых) преобразователей имеют довольно сложный характер. Они позволяют получить значения рабочей глубины, чувствительности и электрической емкости преобразователя, но без учета воздействия гидростатического давления (Подводные электроакустические преобразователи. Справочник под ред. В.В. Богородского. Ленинград, Судостроение, 1993 г., стр. 104). Определение зависимости чувствительности и электрической емкости преобразователя от гидростатического давления обычно проводится экспериментально.
Измерение зависимости чувствительности и емкости гидрофонов от гидростатического давления проводят на собранных и герметизированных преобразователях методом сравнения с чувствительностью образцового гидрофона в гидравлической камере высокого давления. При этом зависимость чувствительности образцового гидрофона от гидростатического давления считается неизменной либо заранее известной. (ВНИИФРИ Государственный эталон ГЭТ-55-2017, установка ЭЗ)
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является установка с камерой малого объема, описанная в книге Р.Дж. Боббер «Гидроакустические измерения», М, Изд. Мир, 1974 г, с. 37. Схема установки показана на Фиг. 1. Установка содержит гидравлическую камеру 1, на одной из стенок которой имеется эластичная мембрана 2, через которую внутрь камеры передается звуковое давление от излучателя 3. Внутри камеры располагаются образцовый 4 и градуируемый 5 преобразователи. Измерение чувствительности контролируемого преобразователя проводится методом сравнения с чувствительностью образцового преобразователя.
Недостатком указанной установки измерения параметров преобразователей и их зависимости от величины гидростатического давления является то, что данная установка не может быть использована для измерения параметров негерметичных пьезопреобразователей, поскольку в ней контролируемый преобразователь помещается внутрь камеры, заполненной водой.
Предлагаемое устройство содержит гидравлическую камеру (гидрокамеру), излучатель, образцовый и контролируемый преобразователи. Одна из стенок гидравлической камеры имеет эластичную мембрану. В гидрокамере размещены пьезокерамический излучатель и образцовый преобразователь (гидрофон). Контролируемый изгибный преобразователь размещается вне камеры и прижимается к эластичной мембране с помощью прижимного устройства, таким образом, что на него передается акустическое и гидравлическое давление, создаваемое внутри камеры. Чувствительность изгибного пьезопреобразователя определяется как отношение электрического напряжения на его контактах к звуковому давлению в гидравлической камере. Звуковое давление в камере определяется как отношение напряжения на выходе образцового преобразователя (гидрофона) к его чувствительности.
Технический результат: устройство позволяет измерять параметры элементов пьезокерамических преобразователей и их зависимость от гидростатического давления без предварительной герметизации, что существенно упрощает работы, сокращает время отработки конструкции преобразователей и снижает затраты на разработку гидрофонов.
Особенностью предлагаемого устройства является то, что в качестве излучателя используется пьезокерамический обратимый преобразователь (гидрофон) аналогичный образцовому, расположенный внутри гидравлической камеры. Камера дополнительно снабжена насосом высокого давления и контрольным манометром.
Схема предлагаемого устройства показана на Фиг. 2
Устройство состоит из гидравлической камеры высокого давления 1 с съемной крышкой, имеющей эластичную мембрану 2. Внутри камеры размещены излучатель 3 и образцовый гидрофон 4. В качестве излучателя и образцового гидрофона используются сферические пьезопреобразователи. Изгибный преобразователь 5 прижимается к мембране с помощью прижима 6. Гидростатическое давление в камере создается ручным насосом высокого давления 7 и контролируется манометром 8.
Напряжение на изгибном преобразователе контролируется с помощью вольтметра 9, а электрическая емкость с помощью измерителя емкости 10. Напряжение на выходе образцового преобразователя (гидрофона) контролируется вольтметром 11. Напряжение на излучатель подается с генератора 12.
На Фиг. 3 показано крепление изгибного преобразователя на съемной крышке гидрокамеры. Крышка гидрокамеры снабжена эластичной мембраной 2. В данном случае мембрана выполнена из резиноподобного материала. Изгибный пьезопреобразователь круглого вида 5, состоящий из металлической мембраны переменного сечения и дискового пьезоэлемента прижимается к мембране прижимным устройством 6.
Расположение преобразователя на внешней стороне камеры высокого давления позволяет исключить герметизацию контролируемого преобразователя для измерения его параметров при воздействии гидростатического давления, что в свою очередь позволяет уменьшить время и материальные затраты при разработке конструкций гидрофонов, содержащих изгибные пьезокерамические преобразователи.
Таким образом, общими существенными признаками прототипа и предлагаемого устройства для контроля параметров изгибных преобразователей являются:
- наличие гидрокамеры высокого давления, снабженной эластичной мембраной;
- образцового гидрофона, расположенного внутри камеры.
Отличительными существенными признаками является то, что в предлагаемом устройстве
- контролируемый преобразователь расположен на внешней стороне камеры, а звуковое и гидростатическое давление на него передается через эластичную мембрану;
- в качестве излучателя используется пьезокерамический обратимый преобразователь аналогичный образцовому, расположенный внутри камеры.
Измерение зависимости чувствительности и электрической емкости изгибного (пластинчатого) преобразователя от гидростатического давления проводится следующим образом.
Изгибный пьезопреобразователь устанавливается на крышке устройства, как показано на Фиг. 3. Камера заполняется водой и из нее стравливается воздух. С помощью ручного насоса в камере создается гидростатическое давление. На излучатель подается переменное электрическое напряжение заданной частоты. Звуковое давление в камере определяется измерением напряжения на выходе образцового преобразователя (гидрофона). Одновременно измеряется электрическая емкость преобразователя при этом давлении. По этим параметрам определяется чувствительность изгибного преобразователя.
Список литературы
1. Справочник «Подводные электроакустические преобразователи». Л.: Судостроение, 1983 г. стр. 104
2. Журнал «Измерительная техника», 2017 г., №8, стр. 3-5. «Государственный измерительный эталон единиц звукового давления и колебательной скорости в водной среде ГЭТ55-17» Исаев А.Е., Некрич С.Ф.
3. Р.Дж. Боббер «Гидроакустические измерения». М.: Изд. Мир, 1974 г., стр. 37.
Устройство для измерения параметров изгибных пьезокерамических преобразователей, содержащее гидравлическую камеру высокого давления, снабженную эластичной мембраной, излучатель звука, образцовый и контролируемый преобразователи, отличающееся тем, что в качестве излучателя используется пьезокерамический обратимый преобразователь, аналогичный образцовому и расположенный внутри камеры, а контролируемый изгибный пьезокерамический преобразователь расположен на внешней стороне камеры при этом гидростатическое и звуковое давление на него передается через эластичную мембрану.
