Акустический преобразователь

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (i»,845129 (5!)М. Кл.з

G 01 S 7/52 (61) Дополнительное к авт, свид-ву— (22) Заявлено 012029 (21) 2826339/40-23 с присоединением заявки H9—

Государственный комитет

СС Р но делам изобретений и открытий (23) Приоритет— (53) УДК 534.232

<088.8) Опубликовано 0707.81. Бюллетень М 25

Дата опубликования описания 100 l81 (72) Автор изобретения

В. Н. Носов

Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии (71) Заявитель (54 ) АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение предназначено для ис. пользования в приборостроении и для антенн. различных гео- и гидролокаторов.

Известны акустические преобразова- . тели P1), содержащие излучакщую и тыльную накладки, размещенный между ними продольно-поляризованный пьезоэлемент, сжатый с помощью армирукщего 10 болта и гайки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является аКустический преобразователь (2j, содержащий пьезоактивный элемент в виде пакета про- 15 дольно-поляризованных шайб, размещенный между тыльной и излучающей накладками, и армирующий элемент с гайкой.

Однако данное устройство имеет не- 20 достатки: прием и излучение акустических сигналов производится только излучающей накладкой, имеющей недостаточную площадь, кроме того, тыльная накладка 25 работает в режиме переотражения колебаний и не работает непосредственно на среду. Это приводит к уменьшению чувствительности в режиме излу-. чения. 30

Тыльная накладка нагружена на воздух, т. е. на среду с низким волновым сопротивлением, что приводит к уменьшению входного импеданса и излишнему потреблению мощности от генератора импульсов, при этом армирующий болт не участвует в колебательном процессе, создавая лишь статическое сжатие пьезоэлемента, шунтируя его и внося тем самым дополнительные акустические потери.

Целью изобретения является повышение чувствительности в режимах излучения и приема.

Указанная цель достигается .эа счет того, что в тыльной накладке выполнена глухая коническая полость, меньшим диаметром сопряженная с -армирующим элементом, выполненным в виде трубки, отношение диаметра которой к внутреннему диаметру пьезоэлемента лежит в пределах 0,9-1,0, в иэлучакщей. накладке выполнена выемка под армирующую гайку, а пространство внутри армирукщей трубки в конической полости тыльной накладки заполнено эвукопроводящей средой, отношение-скорости распространения звука в которой к скорости звука в материале преобразователя равно 1:3.

845129

В излучающей накладке может быть выполнено центральное коническое отверстие, площадь поперечного сечения которого по большому диаметру равна площади поверхности шайбы пьеэоактивного элемента, а меньший диаметр равен диаметру выемки под армирующул гайку, а также эа счет того, что армирующая рубка выполнена с ребристой поверхностью.

На фиг. 1 представлен акустический преобразователь;на фиг.2 приведены эпюры распределения скоростей колебаний,распространяющихся по твердому телу кривая 1 и от тыльной накладки по армирующей трубке (кривая 11) в 1$ сторону излучающей накладки; кривая

1II — эпюра суммарного колебания на выходе преобразователя в режиме излучения.

В излучающей накладке:1 в отвер- 2О стии под армирукщий элемент выполнена выемка 2 под армирукщую гайку 3.

Форма выходнои части выемки может быть конической, причем отверстие выемки выполняется так, что его площадь поперечного сечения по большому диаметру равно площади кольца активной поверхности кольца накладки 1, а малый диаметр отверстия соответствует диаметру под армирующую гайку и трубку. Армирукщая трубка 4 размещена в отверстии пьезоэлемента 5, представляющего набор продольно поляризованных шайб или трубку. В узле колебаний преобразователя размещен хомутик 6, с помощью которого 35 преобразователь крепится к основанию антенны (на чертежах не показано).

Конец армирующей трубки 4 с помощью резьбы соЕдинен с тыльной накладкой

7, выполненной с глухой, например, 4О конической полостью 8. Малый диаметр отверстия плоскости сопряжен с армирующей трубкой, которая в свою очередь сопряжена с диаметром отверстия пьезоэлемента 5, и диаметр которой составляет 0,9-1,0 от диаметра последнего. Пространство внутри трубки 4 и полости 8 заполнено звукопроводящей средой, скорость распространения звука которой составляет одну треть от скорости распространения

50 звука в твердом теле преобразователя.

Высота излучающей накладки .1 составляет одну шестую длины волны, высота тыльной накладки 7 — одну двенадцатую длины волны, а высота пьезоэле- 55 мента 5 соответственно равна трем двенадцатым длины волны, укладываемой в твердом теле. Указанные геометрические соотношения элементов 1, 5 и

7, а также соответствующий выбор скоростей распространения звука в твердом теле и заполняющей среды 9 и выполнение армирукщей трубки ребристой формы позволяют произвести фазировку колебаний. Между поверхностью отверстия пьезоэлемента 5 и наружной поверхностью армирующей трубки 4 во избежание .электрического пробоя размещена изоляционная трубка 10.

Акустический преобразователь работает следующим образом.

При подаче на входные зажимы пьезоэлемента 5 напряжения 1-го полупериода радиоимпульса возбуждения, например, положительной полярности и величиной U, происходит увеличение

его длины по обе стороны от узла колебаний, т. е. в месте расположения хомутика 6. Соответствующая эпюра колебательной скорости изображена на фиг. 2 (I). При этом внутри конической полости 8 тыльной накладки

7 возникает волна разряжения (фиг. 2, эпюра II, полупериод A), распространяющаяся в сторону накладки 1 по материалу трубки 4 и среде 9, являющих; ся в данном случае волноводом. Скорости распространения звука в этих элементах равны. Подгонка скоростей достигается с помощью выполнения трубки 4 ребристой формы. Армирующая трубка 4 является фильтром кольцевого типа и состоит из полых дисковых резонаторов, колеблкщихся на радиальной моде, и элементов связи в виде коротких цилиндрических оболочек.

При подаче. на вход преобразователя второго полупериода возбуждающего напряжения произойдет сжатие пьезоэлемента 5, в результате чего в полости 8 накладки 7 возникает волна сжатия, распространяющаяся также в сторону накладки 1. Эпюра колебательной скорости l при этом примет вид, показанный на фиг. 2 штрих-пунктиром.

Вследствие подачи на вход очередного (положительного) полупериода возбуждающегс напряжения размер пьезоэлемента 5, а, следовательно, и всего преобразователя по продольному размеру возрастет, что снова приведет к возникновению внутри полости 8 накладки 7 волны разряжения. Волна разряжения, которая возникла в первом полупериоде (полупериод А), на эпюре

I! займет положение А, а эпюра 1 будет выглядеть так же, как и для первого полупериода. Таким образом, на протяжении первых трех полуперио-.

TIoB излучаемого радиоимпульса излучение производит только накладка

1, а колебательная энергия накладки

7 претерпевает временную з адержку и не излучается в озвучиваемое пространство. излучение в зто время произв одится т ак же, как и преобразователем-прототипом, т. е. одной накладкой. При подаче на вход преобразователя четвертого (отрицательного по полярности) полупериода радиоимпульса колебательная энергия тыльной накладки 7 достигнет активной поверхности накладки 1 и будет излучаться в фазе с энергией этой накладки. Ам845129

Формула изобретения плитуда выходного колебания возрастет примерно вдвое (зпюра 111, фиг. 2), т. е. чувствительность в режиме излучения возрастет вдвое. Армирукщий элемент — трубка 4 в данном случае выполняет двоякую функцию: она исполь зуется по прямому назначению, т. е, создает статическое сжатие пьезоэлемента 5, и служит в качестве волновода .для тыльной накладки 7. Необходимое усилие сжатия пьезоэлемента созда- ется путем соответствующего натяга с помощью армирующей гайки 3. Пло-. щадь активной поверхности тыльной накладки 7, образованная большим диаметром конической полости 8,может быть такой же по величине, что и пло- 5 щадь накладки 1. Это обеспечивает симметричность молебаний преобразователя и большое сопротивление излучения. Элементы- 1, 7, 5, 4 соединены между собой с помощью клея. Форму Щ амплитудно-фазового распределения на выходе преобразователя можно изменять .с помощью подбора скорости распространения звука в среду 9, в качестве которой может быть резина или вода,,и в трубке 4, а также путем варьирования величиной диаметра выходного отверстия в трубке 4. Это дает возможность получения требуемой ширины диаграммы направленности. В целях получения симметрии нагрузки накладок площади поверхности накладки 1 и выходного отверстия трубки

4 (или конического отверстия накладки 1) желательно выпблнить равными.

Возможен вариант расширяющейся трубки или конического отверстия в гайке 3.

При приеме колебаний описанный выше колебательный процесс в преобразователе протекает обратным Обра- 40 эом, т. е. волны движутся в направлении от излучающей накладки 1 в сторону тыльной накладки 7, которая возбуждается колебаниями, распространяющимися по трубке 4 и среде 9, с за.паздыванием, равным трем полупериодам. Это вытекает иэ принципа работы данного преобразователя (фиг. 2).

Поэтому для гармонических сигналов в режиме приема чувствительность будет выше, чем для сигналов случайной формя. Сложение последних происходит в данном случае по среднеквадратичному закону вследствие временной задержки в волноводе (трубка 4 и среда 9) на три полупериода колебаний и некоррелированности задержанных полупериодов с вновь принимаеьнми и поступаемыми на вход накладки 1.

Преобразователь обеспечивает увеличение чувствительности в режиме излучения и приема в два раза.

1. Акустический преобразователь, содержащий пьезоактивный элемент в виде пакета продольно-поляризованных шайб, размещенный между тыльной и иэлучакщей накладками, и армирующий элемент с гайкой, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью увеличения чувствительности в режимах излучения и приема, в нем в тыльной накладке выполнена глухая коническая полость, меньшим диаметром сопряженная с армирующим элементом, выполненным в виде трубки, отношение диаметра которой к внутреннему диаметру пьезоэлемента лежит в пределах 0,9-1,0, в излучающей накладке выполнена выемка под армирующую гайку, а пространство внутри армирующей трубки и конической полости тыльной накладки заполнено звукопроводящей средой, отношение скорости распространения звука г которой к скорости звука в материале греобразователя равно 1: 3.

2; Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что излучающая накладка выполнена с центральным коническим отверстием, площадь поперечного сечения которого по большому диаметру равна площади поверхности шайбы активной поверхности, а меньший диаметр равен диаметру выемки под армирующую гайку.

3. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что армирующая трубка выполнена с ребристой поверхностью. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 435859, кл. В 06 В 1/06, 22.02.71.

2. Орлов Л. В. и др. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций. Пищевая про- мышленность", M., 1974, с. 246 (прототип).

845129

Тираж. 732 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений,и.открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 4137/3

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель И. Догаева

РЕдаКтор Е. Братчикова Техред С. Мигунова Корректор Н. Швыдкая