УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ПРИЕМОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАБОТЫ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ Российский патент 1995 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относится к акустическому приборостроению и может быть использовано в системах ультразвуковой локализации в газовых средах при определении расстояния до объектов или уровня жидких и сыпучих сред в бункерах, а также в системах ультразвуковой сигнализации и управления.

При разработке ультразвуковых преобразователей для работы в газовых средах особое внимание уделяется вопросам повышения их эффективности в режимах излучения и приема.

Известные технические решения условно можно подразделить на три группы. К первой группе относятся преобразователи с активным элементом в виде пьезокерамической пластины совершающей изгибные колебания, как правило, на первой (низшей) моде. Примером таких преобразователей могут служить активные или полупассивные биморфные элементы [1] В ряде конструкций, для увеличения уровня чувствительности, к центру пластины прикрепляются дополнительные элементы: легкий конусообразный рупорок, диффузор или диафрагма, которые улучшают нагруженность преобразователя на низкоимпедансную газовую среду. Основной недостаток таких преобразователей невысокая механическая прочность и связанное с этим ограничение с уровня излучения, а также практическая ограниченность диапазона рабочих частот (до 30-40 кГц) и сравнительно широкая характеристика направленности (до 40-50^о по уровню 3 дБ). Последнее обстоятельство может служить ограничивающим фактором для использования в эхо-локации ввиду неоднозначности пеленга.

Ко второй группе относятся преобразователи, в колебательную систему которых входят металлические резонаторы. В качестве активных элементов здесь обычно используются пьезокерамические стержни, шайбы, цилиндры, т.е. элементы, допускающие армирование и следовательно позволяющие повысить уровень излучения. Примерами преобразователей этой группы могут служить стержневые и пластинчатые преобразователи, на один из торцов которых установлен пластинчатый резонатор, совершающий изгибные колебания (согласно описанию на первой моде) и рупор, а также преобразователи стержневого типа с концентраторами колебательной скорости переменного поперечного сечения, один из которых нагружен на рупор. Первые две группы преобразователей имеют сравнительно высокодобротную колебательную систему, обеспечивающую узкую полосу пропускания, но сравнительно высокую чувствительность в режимах излучения и приема.

К третьей группе относятся преобразователи, использующие для расширения полосы пропускания согласующие слои. Основным недостатком этих преобразователей является сложность выбора и изготовления материалов с малым удельным импедансом (0,01.0,1)˙10⁶, используемых в качестве согласующих слоев. Для сравнения: удельный импеданс пьезокерамики (25.30)˙10⁶.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятый за прототип [2] ультразвуковой преобразователь, состоящий из соосно расположенных стержневого пьезоблока и жестко связанных с его торцом согласующей пластины с центральным отверстием (связь через кольцевую опору) и рупорного устройства в виде рупора и предрупорной камеры. Недостатком данного преобразователя являются: жесткая связь рупорного устройства с рабочим торцом пьезоблока, приводящая к появлению паразитных резонансов в рабочей области частот преобразователя и ухудшению его характеристики направленности (увеличению уровня побочных максимумов): предрупорная камера используется не эффективно; центральное отверстие согласующей пластины (в нашем представлении служащее лишь для настройки резонансной частоты преобразователя) способствует налипанию пыли и паров на внутреннюю труднодоступную (обращенную к пьезоблоку) поверхность пластины, что приводит со временем к изменению резонансной частоты и ухудшению работы преобразователя.

Технической задачей изобретения является разработка ультразвукового приемно-излучающего устройства для работы в газовой среде, обладающего большей стабильностью эксплуатационных характеристик, лучшими направленными свойствами и большей эффективностью (т.е. большим уровнем чувствительности в режимах излучения и приема) по сравнению с аналогичными преобразователями, предназначенными для тех же целей.

Поставленная задача решается следующим образом. Подобно известному устройству, предлагаемое приемно-излучающее устройство состоит из соосно расположенных рупорного устройства в виде рупора с предрупорной камерой и электроакустического преобразователя в виде стержневого пьезоблока и согласующей пластины, закрепленной по контуру через кольцевую опору на его торце. В отличие от известного устройства, в предлагаемом устройстве согласующая пластина выполнена сплошной постоянного поперечного сечения, рупорное устройство акустически изолировано от преобразователя, предрупорная камера ограничена двумя перпендикулярными оси устройства плоскостями, в одной из которых расположена согласующая пластина, а в другой меньшее отверстие рупора, причем расстояние между плоскостями кратно половине длины звуковой волны в газе, толщина согласующей пластины h_п и диаметр меньшего отверстия рупора D_м выбирается из условий h_пi ≅ h_п ≅ 1,1h_пi при i 2 и 3;
еh
,
где R(θ) ; D_п, Е_п, ν_п, ρ_п и i соответственно диаметр, модуль Юнга, коэффициент Пуаcсона, плотность материала и номер моды изгибных колебаний согласующей пластины; β₂ 39,8; β₃ 88,9; f_p рабочая частота преобразователя (всего ультразвукового устройства).

Такое построение предлагаемого ультразвукового устройства обеспечивает эффективное направленное излучение и прием звуковых волн, а также стабильность работы преобразователя.

На фиг. 1 приведен пример построения предлагаемого ультразвукового устройства; на фиг. 2 частотные характеристики модуля полной входной проводимостиY| предлагаемого преобразователя (устройства) кривая 1 и прототипа кривая 2; на фиг.3 пример расчета резонансной частоты предлагаемого преобразователя (устройства) в зависимости от геометрии согласующей пластины и резонансной частоты стержневого пьезоблока; на фиг.4 результаты измерения уровня звукового давления на оси предлагаемого устройства в зависимости от высоты предрупорной камеры; на фиг.5 результаты измерения характеристик направленности предлагаемого устройства (кривая 1) и преобразователя (кривая 2) с согласующей пластиной, совершающей изгибные колебания на второй моде; на фиг.6 результаты измерения характеристик направленности предлагаемого устройства (кривая 1), преобразователя (кривая 2) с согласующей пластиной, совершающей изгибные колебания на третьей моде, и прототипа (кривая 3).

На чертежах использованы следующие обозначения. На фиг.1: 1 тыльная накладка; 2 пьезокерамические шайбы; 3 передняя накладка; 4 согласующая пластина; 5 рупорное устройство (рупор); 6 предрупорная камера; 7 прижимное кольцо; 8 крепежная пластина; 9 резиновая кольцевая прокладка; 10 армирующая стяжка; 11 токовводы; 12 установочные резиновые кольца; 13 армирующая гайка; 14 корпус. На фиг.4: отношение уровня звукового давления на акустической оси предлагаемого устройства к своему максимальному значению. На фиг.5 и 6: ≃ угловая зависимость уровня звукового давления, отнесенного к своему максимальному значению.

Предлагаемое ультразвуковое приемно-излучающее устройство (фиг.1) работает следующим образом. В режиме излучения, при подаче электрического напряжения с рабочей частотой f_р преобразователя на пьезокерамические шайбы 2, стержневой пьезоблок (состоящий из тыльной и передней накладок 1 и 3, пьезокерамических шайб 2, армирующих стяжки 9 и гайки 11) начинает совершать продольные колебания. Через кольцевую опору эти колебания передаются согласующей пластине 4, которая под действием возбуждающей по ее периметру силы и сил инерции начинает совершать изгибные колебания (в зависимости от выбора геометрии пластины соотношения h_n/D_n) на второй или третьей моде. Наиболее интенсивными эти колебания будут на частоте f_p, близкой к собственной резонансной частоте согласующей пластины f_пi (i 2, 3 номер моды), колеблющейся на выбранной моде. При этом преобразователь проектируется таким образом, чтобы резонансная частота стержневого пьезоблока f_ст и собственная резонансная частота согласующей пластины f_пi (т.е. их парциальные частоты) соответствовали друг другу: f_ст ≈ f_пi. Предрупорная камера 6, высота которой кратна половине длины волны в газе, служит дополнительным резонатором и усиливает излучаемые согласующей пластиной звуковые волны. Рупор 5 формирует сравнительно узконаправленную (в зависимости от угла раскрыва и протяженности) однолепестковую характеристику направленности. Электроакустический преобразователь является обратимым, поэтому в режиме приема его работа происходит аналогично, но в обратной последовательности. Падающие звуковые волны концентрируются в меньшем отверстии рупора 5, усиливаются в предрупорной камере резонаторе 6 и действуют на согласующую пластину 4, которая на частоте антирезонанса преобразователя имеет максимум входного сопротивления. Это соответствует максимальной реакции со стороны стержневого пьезоблока и максимуму его чувствительности.

Необходимость акустической развязки рупорного устройства от преобразователя может быть проиллюстрирована результатами измерения частотной характеристики модуля полной входной проводимостиY| (см.фиг.2) макетов предлагаемого устройства (кривая 1) и прототипа (кривая 2), изготовленными на рабочую частоту 44 кГц. Для предлагаемого устройства в рабочем диапазоне частот четко выделяются резонансы стержневого пьезоблока (на частоте f_ст') и согласующей пластины (на частоте f_пi' являющейся рабочей частотой преобразователя и всего предлагаемого устройства f_p) и отсутствуют какие-либо другие резонансы. В данном случае f_пi' f_п3' соответствует третьей моде изгибных колебаний согласующей пластины. Для прототипа в этом диапазоне частот наблюдается несколько близко расположенных резонансов (на фиг.2 резонанс соответствующий рабочей частоте отмечен стрелкой), не позволяющих априорно (лишь по результатам измеренияY| до измерения уровня звукового давления) определить резонансную частоту всего устройства. Это усложняет контроль параметров преобразователей при их серийном производстве. Наличие у прототипа многорезонансности в его рабочем диапазоне частот обусловлено проявлением ряда мод колебаний конструкции рупорного устройства, которое подобно передней накладке входит в колебательную систему преобразователя. Следует отметить, что несмотря на соответствие парциальных частот f_ст ≈ f_пi, определенных отдельно для стержневого пьезоблока и согласующей пластины, для полностью собранной конструкции преобразователя f_ст' никогда не будет совпадать с f_пi' (см.фиг. 2, кривая 1), подобно системе двух связанных электрических контуров, порознь настроенных на одну и ту же частоту. Дополнительно, в качестве примера, приведены результаты измерения характеристик направленности предлагаемого устройства (кривая 1) и прототипа (кривая 3), для которого существенно выше уровень боковых лепестков. Это обусловлено тем, что у прототипа рупорное устройство, жестко прикрепленное к передней накладке преобразователя, тоже колеблется и при этом дополнительно излучает звуковые волны своей боковой поверхностью. Для предлагаемого устройства рупорное устройство не входит в колебательную систему преобразователя и служит лишь отражателем, усиливающим (предрупорная камера) уровень звукового давления и формирующим (рупор) однолепестковую характеристику направленности. Приведенные примеры доказывают необходимость акустической развязки рупорного устройства от преобразователя, которая может быть выполнена, например, с помощью резиновых прокладок (см. фиг.1).

Выбор толщины согласующей пластины h_п базируется на физических предпосылках работы преобразователя и решении задачи о его колебаниях, позволяющей определить необходимые значения резонансных частот (результирующие формулы не приводятся ввиду их громоздкости). Собственные резонансные частоты круглой пластины f_пi могут быть определены по известной формуле
f_пi, где h_п, D_n, Е_n, ρ_п и ν_п толщина, диаметр, модуль Юнга, плотность и коэффициент Пуассона пластины; β_i коэффициенты, определяемые из решения транцендентного уравнения, описывающего изгибные колебания пластины при заданных условиях ее закрепления по контуру. В частности, для защемленной по контуру пластины (случая наиболее близкого к рассматриваемой модели преобразователя β₁ 10,21; β₂ 39,78; β₃ 88,9; β₄ 145,6; i номер моды изгибных колебаний.

Предлагаемые преобразователи наиболее эффективны, когда их рабочая частота соответствует второй (i2) или третьей (i 3) моде изгибных осесимметричных колебаний согласующей пластины (f_p f_пi'). Это объясняется следующими обстоятельствами. При заданных диаметре согласующей пластины D_п и рабочей частоте преобразователя f_p, возбуждение второй или третьей моды колебания согласующей пластины сопровождается уменьшением ее толщины (см. формулу для f_пi β₂/β₁ 3,9, а β₃/β₁8,7, т.е. уменьшение h_п для второй моды изгибных колебаний в 3,9 раза, а для третьей моды в 8,7 раза). В свою очередь это приводит к большей гибкости согласующей пластины и увеличению амплитуды ее колебаний. Это служит основой для увеличения эффективности работы предлагаемого устройства и выбора в качестве рабочих второй или третьей мод изгибных колебаний согласующей пластины. Термин "согласующая" для характеристики пластины здесь используется именно с позиций большей отдачи преобразователя в режимах излучения и приема. Вторая и третья моды колебаний согласующей пластины являются оптимальными для предлагаемого устройства. Так для заданной рабочей частоты преобразователя, при реализации первой моды колебаний согласующей пластины уменьшается уровень излучения и приема, поскольку используется в несколько раз более толстая пластина, а рупорное устройство оказывается неэффективным (при D_м < D_п экранируется часть синфазно колеблющейся поверхности пластины, а при D_м ≥ D_п рупорное устройство фактически не участвует в формировании характеристики направленности). Для реализации четвертой моды осесимметричных колебаний требуется чрезмерно тонкая согласующая пластина (см. формулу для f_пi; β₃/β₄ 0,6), что в ряде случаев может вызвать сложности в изготовлении преобразователя. Кроме того, заметно (по отношению к третьей моде в 2 раза) уменьшается центральная, наиболее интенсивно колеблющаяся, область пластины, а вклад в излучение (прием) периферийных противофазно колеблющихся кольцевых областей оказывается не существенным.

Диапазон рекомендуемых значений h_п обусловлен требованием, по-возможности, меньшей зависимости рабочей частоты преобразователя f_pот разброса резонансных частот стержневого пьезоблока, возникающего, например, при использовании различных составов пьезокерамики или нестабильности ее параметров. Тем самым обеспечивается стабильность работы преобразователя и всего устройства в целом. Согласно результатам расчетов существуют такие области значений h_п, при которых соблюдается указанное условие и обеспечивается наибольшая стабильность работы преобразователя. Здесь следует отметить, что значения резонансных частот f_p в некоторой степени зависят от гибкости кольцевой опоры, определяемой ее толщиной и высотой.

Крайние значения минимальной или максимальной гибкости приближаются к условиям закрепления защемленной или опертой по контуру пластины, собственные частоты которой в этих случаях определяются по формуле для f_пi. Для заданной геометрии пластины различия в значениях f_пi ( β_i) для этих случаев закрепления уменьшаются с ростом номера моды колебания "i". Так, для первых значений i 1; 2; 3; 4 соответственно будет β_i^(з)/β_i^(оп) 2,05; 1,34; 1,2; 1,1. Согласно результатам многочисленных расчетов для рабочих частот f_p преобразователя предлагаемого устройства, выполненных для различной геометрии кольцевой опоры (условий закрепления) и согласующей пластины и ряда резонансных частот стержневого пьезоблока, значения f_p оказываются более близкими к f_пi, определенных для защемленной пластины. В качестве примера на фиг. 3 приведены результаты расчетов для рабочих частот предлагаемого преобразователя со стержневым пьезоблоком, имеющим резонансную частоту f_ст 40; 45 и 50 кГц (обозначения указаны на фиг. 3), с согласующей пластиной диаметром D_п 30 мм и кольцевой опорой высотой 6 мм и толщиной 2 мм. По оси абсцисс отложены значения толщины согласующей пластины в мм, а по оси ординат значения резонансных частот в кГц. Номера в кружках означают номер моды колебания согласующей пластины на соответствующих участках кривых. Прямые 2_з и 2_оп, а также 3з и 3_опсоответствуют результатам расчетов по формуле для f_пi при i 2 и 3 для случаев закрепления по контуру защемленной (прямые с индексом "з") и опертой (прямые с индексом "оп") пластины. Выбор рекомендуемых значений h_п базируется на нахождении участков сформировавшихся мод колебаний согласующей пластины (участки зависимости f_р близких к прямым линиям) вблизи соответствующих резонансных частот (см. значения оси ординат) стержневого пьезоблока. Как видно, в диапазоне частот 40-50 кГц для второй и третьей мод изгибных колебаний согласующей пластины, в областях, ограниченными прямыми 2з и 3з, а также соответствующими кривыми для f_ст 40 кГц, наблюдается минимальное расхождение всех трех (f_ст 40; 45 и 50 кГц) кривых, особенно для третьей моды колебаний. Согласно результатам расчетов и экспериментальных исследований, для достижения большей стабильности работы преобразователя толщину согласующей пластины следует выбирать из следующих условий: для i 2
h(зп2

⁾≅ h_п≅ , для i 3
h(зп3⁾≅ h_п≅ , где h_пi^(з) и h_пi^(оп) значения толщин для согласующей пластины, определенных по формуле для f_пi при условиях закрепления соответственно: "защемленная" и "опертая", на рабочей частоте преобразователя f_р. Учитывая, что при заданных геометрии согласующей пластины и рабочей частоте преобразователя (или f_ст) h_п2^(з) 1,34 h_п2^(оп) и h_п3^(з) 1,2 h_п3^(оп), получим для i 2 и 3 совпадающие соотношения h_пi^(з) ≅ h_п ≅ ≅1,1 h_пi^(з). Стабильность работы предлагаемого преобразователя при выборе указанных соотношений хорошо подтверждается экспериментально.

Предрупорная камера служит дополнительным резонатором, обеспечивающим синфазное сложение в меньшем отверстии рупора звуковых волн спектров нулевого и высших порядков, формируемых различными участками пластины (в том числе и противофазно колеблющихся на второй или третьей модах колебаний). Высота h_пр предрупорной камеры выбирается из условия обеспечения максимального излучаемого (принимаемого) акустического сигнала и составляет величину, кратную половине длины волны в газовой среде. Это обстоятельство подтверждается многочисленными экспериментальными данными, полученными для макетов предлагаемых устройств, работающих на различных частотах. На фиг. 4 приведены результаты измерения уровня звукового давления (нормированного к своему максимальному значению р_max) на оси предлагаемого устройства в зависимости от относительной высоты предрупорной камеры (здесь λ_в- длина волны в газе) для макетов этих устройств с резонансной частотой 18 кГц (кривая 1) и 44 кГц (кривая 2).

Выбор соотношения также базируется на результатах измерений и понятии об излучении спектров нулевого и более высоких порядков колеблющейся поверхностью с амплитудно-фазовым распределением по ней колебательной скорости (упругого смещения). Направление максимумов спектров относительно оси преобразователя может быть определено из
sinθ_m, где m 0; 1; 2. номер спектра. Основным требованием является чтобы максимум спектра первого порядка (формирующий противофазный по отношению к спектру нулевого порядка лепесток характеристики направленности) не попадал в меньшее отверстие рупора. Практически величину D_м следует выбирать не меньше диаметра центральной (синфазно колеблющейся) области пластины, ограниченной наименьшей узловой окружностью, и не больше следующей узловой окружности. При D_м меньше диаметра пеpвой (наименьшей) узловой окружности уменьшается уровень излучения (приема); при D_м больше диаметра второй узловой окружности в телесный угол, ограниченный рупором, попадает поле спектра первого порядка (первого дополнительного лепестка) и итоговая характеристика направленности перестает быть однолепестковой, что приводит к неоднозначности пеленга и определения расстояния.

Эти физические предпосылки подтверждаются результатами экспериментальных исследований. В качестве примера на фиг. 5 и 6 приведены нормированные (к своим максимальным значениям) характеристики направленности звукового давления для макетов предлагаемых устройств с резонансной частотой 18 и 44 кГц с согласующей пластиной, работающей на второй (фиг. 5; f_p 18 кГц; h_п 1,1 мм; D_п 48 мм; 0,6) и третьей (фиг. 6; f_p 44 кГц; h_п0,5 мм; D_п 30 мм; 0,5) модах изгибных колебаний, с рупорным устройством (кривые 1) и без него (кривые 2). Номера в кружках обозначают номера спектров (лепестков) характеристики направленности, а знаками "+" и "-" условно обозначены фазовые соотношения в спектральных максимумах. Согласно результатам экспериментальных исследований предлагаемых устройств, указанные выше требования по выбору величины D_м обеспечиваются при следующих соотношениях : при колебаниях согласующей пластины на второй моде (т.е. при i 2): 0,4-0,8 (0,2-0,4)i, а на третьей моде (i 3): 0,25-0,6 (0,08-0,2)i.

Следует отметить, что по сравнению с прототипом, применение в предлагаемом устройстве отличительных элементов, составляющих предмет изобретения, позволяет существенно увеличить его эффективность и коэффициент преобразования по тракту: излучатель газовая среда приемник. Так, для предлагаемого устройства значение этого коэффициента может быть доведено до 0,6-0,8, в то время как для прототипа он составляет 0,2. Использование в предлагаемом устройстве высших мод изгибных колебаний позволяет значительно расширить диапазон его рабочих частот. Так, по сравнению с известными конструкциями, этот диапазон частот может быть увеличен до 100-150 кГц.

Таким образом, по сравнению с прототипом, технический результат, достигаемый применением предлагаемого приемно-передающего устройства, заключается в следующем:
эффективность преобразования по приемно-передающему тракту увеличивается в 3-4 раза;
уменьшается уровень бокового поля и повышается соотношение сигнал/помеха;
повышается стабильность работы преобразователя и устройства в целом;
в 2-3 раза расширяется диапазон рабочих частот.

Указанные обстоятельства доказывают преимущества предлагаемого устройства.

Использование: в системах ультразвуковой локации в газовых средах, уровнемерах, системах ультразвуковой сигнализации и управления. Сущность изобретения: устройство содержит соосно расположенные рупорное устроство в виде рупора и предрупорной камеры и акустически изолированного от нее электроакустического преобразователя в виде стержневого пьезоблока и согласующей пластины, прикрепленной к его торцу через кольцевую опору, высота предрупорной камеры кратна половине длины волны в газе, диаметр внешнего отверстия рупора и толщина согласующей пластины определяются для второй и третьей моды ее изгибных колебаний. 6 ил.

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ПРИЕМОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАБОТЫ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ, содержащее соосно расположенные рупорное устройство в виде рупора с предрупорной камерой и электроакустический преобразователь в виде стержневого пьезоблока и согласующей пластиной, закрепленной по контуру через кольцевую опору на его торце, отличающееся тем, что согласующая пластина выполнена сплошной, рупорное устройство акустически изолировано от преобразователя, предрупорная камера ограничена двумя перпендикулярными оси устройства плоскостями, в одной из которых расположена согласующая пластина, а в другой - меньшее отверстие рупора, причем расстояние между плоскостями кратно половине длины звуковой волны в газе, толщина согласующей пластины h_п и диаметр меньшего отверстия рупора D_м выбираются из условий
h_пi ≅ h_п ≅ 1,1h_пi при i 2 и 3;


где

f_р рабочая частота преобразователя, параметры согласующей пластины:
D_п диаметр;
E_n модуль Юнга;
ν_п коэффициент Пуассона;
ρ_п плотность материала;
i номер моды изгибных колебаний;
β₁= 39,8 ;
β₂= 88,9 .