УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к области техники, в которой применяется излучение и прием ультразвука, распространяемого в воздушной среде, и может быть использовано преимущественно в устройствах сигнализации о нарушении начальных условий ультразвукового поля в полостях конструкций, например, при недозволенном попадании человека в салон автомобиля, открывании дверей, капота, багажника, нарушении целостности стекол.

Известна конструкция по заявке Японии 63-2520, кл. Н 04 R 17/00, 1988, которая может быть использована в качестве ультразвукового преобразователя автомобильного сигнализатора. Преобразователь содержит пьезоэлемент, закрепленный в корпусе на опорах, диффузор, закрепленный центральной частью в центре внешней поверхности пьезоэлемента, а по периферии держателе, который одновременно выполняет функцию корпуса.

Криволинейная поверхность диффузора (антенны) сначала постепенно удаляется от центральной точки закрепления, а затем опускается по разные стороны пьезоэлемента симметрично его центральной оси и соединяется периферийно кромкой с держателем (корпусом).

Недостатками данной конструкции являются: недостаточная чувствительность, особенно при углах направленности больше 100^o, вследствие колебания диффузора как сосредоточенной массы только вдоль нормальной оси пьезоэлемента, малой колебательной скорости периферийной его части вследствие внутренних потерь энергии на трение вблизи закрепленной кромки, уменьшенного вклада в излучение (прием) закрытых диффузором излучающих поверхностей: пьезоэлемента, обратной стороны диффузора и отражающей поверхности держателя; пониженная резонансная частота диффузора, а следовательно, преобразователя, что в ряде случаев затрудняет его использование в ультразвуковом диапазоне частот, а также относительно сложная в расчете и изготовлении конструкции диффузора.

Указанные недостатки существенно ограничивают возможность использования подобных указанной конструкции в качестве ультразвукового преобразователя автомобильного сигнализатора.

Наиболее близкой по технической сущности и решаемой задачи к предлагаемому решению является конструкция преобразователя по патенту Франции N 2579053, кл. Н 04 R 17/00, 1986 г. которая выбрана в качестве прототипа. Преобразователь содержит корпус, биморфный пьезоэлемент в виде диска диаметром "d" и закрепленные по разные стороны пьезоэлемента антенну и жесткие стержневые опоры, причем антенна расположена со стороны открытого торца корпуса и выполнена симметричной относительно центральной оси пьезоэлемента, опоры установлены между пьезоэлементом, и дном корпуса по узловой линии колебаний пьезоэлемента.

Недостатками прототипа являются: недостаточная чувствительность в осевом направлении вследствие не механической (прямой), а акустической (опосредованной) связи пьезоэлемента с антенной, а также пониженной колебательной скорости антенны около периферийной кромки ввиду увеличения внутренних потерь колебательной энергии при закреплении, отсутствия вклада обратной поверхности антенны, пьезоэлемента и держателя как отражателя в излучаемую (принимаемую) в осевом направлении акустическую энергию; недостаточная чувствительность при углах направленности более 100^o вследствие малого вклада внешней поверхности пьезоэлемента и антенны в излучаемую в боковом направлении энергию.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение чувствительности и расширение характеристики направленности (ХН) преобразователя, а также повышение технологичности конструкции.

Указанный результат достигается за счет того, что антенна выполнена в виде упругой пластины и жестко закреплена на поверхности пьезоэлемента двумя противоположными кромками, расстояние "в" между внешней поверхностью пьезоэлемента и плоскостью, проходящей через открытый торец корпуса меньше или равно максимальной высоте антенны над поверхностью пьезоэлемента "b₁", внутренний диаметр корпуса d₁≥d+2b, а расстояние между внутренней поверхностью пьезоэлемента и дном корпуса "b₂" удовлетворяет неравенству b₂≅(2_m-1)λ_o/4,, где λ_o длина акустической волны в воздухе: m 1,2,3. Ширина закрепленных кромок антенны a₁≅ λ_ип/6, ширина ее средней части a₂≥λ_иа≳λ_o, а длина

где
λ_ип длина изгибной волны в пьезоэлементе в направлении, перпендикулярном узловой линии его колебаний;
аргумент cобственной моды изгибных колебаний антенны; n 1,2,3;
λ длина изгибной волны в антенне;
h₁ толщина антенны;
С_п скорость продольных волн в антенне;
f_o собственная частота колебаний системы пьезоэлемент-антенна.

Дополнительно технический результат достигается тем, что толщина антенны

где ρ, σ и Е плотность, коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала антенны;
f_кр критическая частота, при которой l_o= λ_иа.
Дополнительно технический результат достигается тем, что в средней части антенны закреплено жесткое тело, продольная ось которого перпендикулярна продольной оси антенны, причем минимальное расстояние "b₃" между жестким телом и кромкой антенны определяется соотношением λ_иа/4≅b₃≅λ_иа/2, ширина поперечного сечения данного тела a₄≅0,5λ2иа

Дополнительно технический результат достигается тем, что антенная имеет скачкообразные изменения ширины и выполнена симметричной относительно своих продольной и поперечной осей, причем расстояние между местами скачкообразного изменения ширины антенны l_гр≥(1,5-2)λ_иа, а ширина антенны на смежных участках отличается друг от друга на величину Δa_гр≥3..

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показан пример выполнения ультразвукового преобразователя; на фиг. 2 схема конструкции преобразователя с указанием размеров его элементов; на фиг. 3 развертка антенны; на фиг. 4 развертка антенны с неоднородностью в виде локального жесткого тела; на фиг. 5 развертка антенны с вариантами неоднородности в виде скачкообразного изменения ширины антенны.

Преобразователь (фиг. 1) содержит биморфный пьезоэлемент 1, закрепленный с помощью стержневых опор 2 в корпусе 4, пластинчатую антенну 3, закрепленную на внешней поверхности пьезоэлемента 1. Окно корпуса 4 закрыто защитной сеткой 5, закрепленной на рамке 6, установленной на кромке окна корпуса 1.

Преобразователь работает следующим образом.

На биморфный полупассивный пьезоэлемент 1 через электроды (опоры) 2 подаются электрические сигналы, в результате чего в активной пьезопластине элемента создается электрическое поле, под действием которого пьезоэлемента поляризуется, в ней возникают механические радиальные напряжения, а т.к. жестко скрепленная с ней пассивная латунная пластина (подложка) не изменяет своих размеров под действием внешнего электрического поля, то в пьезопластине возникает изгибающий момент и весь пьезоэлемент 1 совершает изгибные колебания. В режиме приема наоборот, деформация изгиба пьезоэлемента под воздействием звукового давления воздуха вызывает механические напряжения в пьезопластине, которые приводят к появлению разности потенциалов на электродах. Частоту сигналов внешнего электрического поля частоту возбуждения преобразователя f_o подбирают так, чтобы она равнялась частоте собственных колебаний пьезоэлемента с антенной, установленного в корпусе указанным способом; в этом случае преобразователь работает в резонансном режиме.

Наибольшая эффективность пьезокерамических пластинчатых преобразователей достигается при создании колебаний пьезоэлемента со свободными кромками или со свободно опертыми кромками.

В конструкции, согласно изобретению, граничные условия наиболее близки к условию свободных кромок, поэтому частоту собственных колебаний пьезоэлемента можно определить по формуле:

где
β_ns постоянная данной формы колебаний пьезоэлемента, определяемой количеством "п" узловых диаметров и S узловых окружностей (n 0,1,2, S 1,2,3,);
r, d, h радиус, диаметр и толщина пьезоэлемента, соответственно;
ρ,σ, E плотность, коэффициент Пуансона и модуль Юнга материала пьезоэлемента.

Изгибный момент пьезоэлемента с частотой f_o воздействует на антенну, в результате чего в ней возбуждаются изгибные колебания. Т.к. наибольший размер закрепляемых кромок антенны много меньше длины изгибной волны в пьезоэлемента, т.е. соответствует условию формулы изобретения a₁≅λ_ип/6, то воздействующий момент можно считать сосредоточенным. Физический смысл указанного условия заключается в том, что показывает пространственно-волновые границы поведения наблюдаемого объекта (например, виброзадерживающей массы, места соединения вибропроводников и пр. ), как объекта с сосредоточенными параметрами (сосредоточенная масса, сосредоточенное место воздействия силы или момента). Звуковая мощность, излучаемая пластиной (антенной) под действием сосредоточенного момента при прочих равных условиях, больше, чем мощность, излучаемая под действием линейного момента (приведенного к единице длины).

Измерение работы преобразователя показало, что выпуклая пластинчатая антенна обеспечивает излучение (прием) акустической энергии в пределах 0-180^o. Характеристика направленности ее шире, т.е. чувствительность при больших углах направленности больше, чем у диффузорной, при прочих равных условиях. Диффузорная антенна, закрепленная в центре пьезоэлемента, т.е. в точке с максимальной амплитудой колебаний вдоль нормали, совершает преимущественно поступательные колебания вдоль нормали. Она служит для согласования собственного сопротивления излучателя (горла диффузора), малого по сравнению с длиной волны в воздухе, с волновым сопротивлением воздуха.

Антенна, согласно изобретению, позволяет получить выигрыш в площади излучения (при обеспечении согласования волновых сопротивлений излучателя и воздуха, т. к. a₂≈ λ_o и l ≈ 3λ_o). Кроме того, диффузор в аналогичных конструкциях преобразователей имеет угол раскрыва 90-100^o и при его нормальных колебаниях чувствительность имеет практическую значимость в пределах 0±60^oC (общий угол в пределах 120^o). Антенна согласно изобретению имеет излучающую поверхность с нормалями, охватывающими углы в пределах 150^o. При ее изгибных колебаниях акустические волны излучаются под углом к нормали (вплоть до угла 180^o при критической частоте), поэтому излучение и прием акустической энергии такой антенной осуществляется в пределах 180^o.

В ультразвуковом диапазоне частот заметно проявляется эффект различных преград на пути акустических волн, который характеризуется размером акустической тени за препятствием l_т D²/4λ_o. При используемой частоте возбуждения преобразователя f_b 31 кГц длина волны в воздухе λ_o 11 мм, т.е. сопоставима с размером такого препятствия, как, например, высота корпуса преобразователя. Поэтому величина заглубления пьезоэлемента в корпусе может существенно влиять на ширину характеристики направленности, т.е. чувствительности при больших углах направленности. Условия формулы изобретения: 0 ≅b≅b₁ и d₁≥d+2b даже при самом большом заглублении b=b₁ и наименьшем размере окна корпуса d₁ d + 2b, обеспечивают полный неэкранизируемый угол излучения (приема) антенны, приблизительно равный 180^o (как показано выше, диффузорная антенна в пределах 120^o). Таким образом, использование антенны согласно изобретению в сочетании с указанными признаками по параметрам "b" и "d₁" позволяет расширить характеристику направленности преобразователя посредством увеличения его чувствительности для угла 120^o и более.

Пьезоэлемент излучает (принимает) ультразвуковую энергию обеими сторонами. В режиме излучения можно рассматривать две волны одной частоты f_o. Первая (S₁) излучается внешней поверхностью преобразователя, вторая (S₂) отраженная дном корпуса, при падении на него волны, излученной внутренней стороной пьезоэлемента, при этом вторая волна излучается через отверстие канала, образуемого кромкой пьезоэлемента 1 и корпусом 4. При λ_o≫ h можно в первом приближении пренебречь толщиной пьезоэлемента h и рассматривать его как плоскость, при расстоянии между кромкой пьезоэлемента и корпусом 1/2(d₁ d) 5 мм, меньше λ_o 11 мм можно рассматривать указанный канал как узкий, причем этот канал имеет одну жесткую границу дно корпуса и одну акустически мягкую границу плоскость отверстия, которая совмещена с плоскостью пьезоэлемента. Если такой канал имеет глубину b₂≅λ_o/4,, то на его мягкой границе (в плоскости отверстия) имеет место максимум колебательной скорости. Внешняя поверхность пьезоэлемента также создает максимальную колебательную скорость. При заявленном условии b₂≅(2m-1)λ_o/4, где m 1,2,3. можно считать, что волны S₁ и S₂ не интерферируют и практически синфазны. В режиме приема часть акустической энергии падает на внешнюю поверхность пьезоэлемента (волна S₁), а часть в отверстие рассмотренного канала (волна S₂). Для волны S₁ колебательная скорость на поверхности пьезоэлемента (жесткая преграда) является наименьшей, а звуковое давление наибольшим. При попадании волны S₂ в волновод с обеими жесткими границами, образуемыми внутренней поверхностью пьезоэлемента и дном корпуса, и имеющим длину b₂≅λ_o/4, в нем не образуется мода с частотой n. f. в, n 1,2,3, для которой звуковое давление на внутренней поверхности пьезоэлемента (как на жесткой границе) будет наибольшим.

Наоборот, указанное давление для попавшей между указанными границами волны S₂ будет наименьшим, а следовательно, волна S₂ будет наименьшим, а, следовательно, волна S₂ не будет противодействовать волне S₁ и ослаблять ее воздействие на пьезоэлемент, поэтому заявленное условие формулы изобретения по параметру b₂ позволяет повысить чувствительность преобразователя при прочих равных условиях, увеличить излучаемый (принимаемый) сигнал при всех указанных углах направленности, а значит расширить характеристику направленности.

Как указывалось выше, при возбуждении в антенне акустически медленных изгибных мод, т.е. когда f_b < f_кр, источниками излученной акустической мощности являются зоны около точек возбуждения около кромок антенны (излучение поршневыми модами), а также около неоднородностей в виде локального жесткого тела.

Неоднородность в виде локально выполненного жестко закрепленного посередине антенны тела позволяет увеличить поверхность излучения, а, следовательно, и излучаемую (принимаемую) мощность. Чтобы тело являлось препятствием для изгибных волн (неоднородностью) и в его поперечном сечении не возникали волновые эффекты, снижающие эффективность, необходимо, чтобы его размеры соответствовали таковым для виброзадерживающей массы. Условия ширины и высоты тела (а₄ и а₅), указанные в формуле изобретения, позволяет реализовать ее как неоднородность, при которой вокруг нее образуется дополнительная четвертьволновая зона излучения (только такого размера зоны вблизи разрыва граничных условий могут быть нескомпенсированы по излучению. (Т.к. длина тела зависит от размера охватываемого им поперечного размера антенны, то она заявлена опосредованно, через расстояние b₃ между телом антенны. Заявленный параметр антенны b₃ ≈ 2 мм. Он соответствует условиям формулы изобретения и позволяет обеспечить излучение всей средней части антенны даже при наибольшем значении b₃ ≠ λ_иа/2 ≠ 2,8 мм, т.к. тело и ближайшая кромка дают по четвертьволновой зоне излучения, т.е. перекрывают расстояние b₃(λ_иа= 5,6 мм).

Резкое (скачкообразное) изменение ширины антенны также можно считать неоднородностью, т. к. в этом месте происходит отражение акустических волн. Т. к. наименьшим значимым изменением уровня звукового давления в звукопроводах с резким изменением сечения можно считать ΔL 2 дБ (т.е. на 1 дБ больше погрешности измерительной акустической аппаратуры 1 класса), то по формуле ΔL = 10 lg 1/λ можно определить коэффициент прохождения акустической волны l 0,75, что соответствует изменению акустических сопротивления участков звукопроводов Z₁/Z₂ 3. Таким образом, значимое изменение ширины антенны должно быть равно 3, что позволяет получить неоднородность поперечного сечения, а, следовательно, дополнительную зону излучения и акустическую излучаемую мощность. Т. к. волна формируется в звуковом канале, если его длина составляет не менее 1,5-2 длины, проходящей по нему волны, то необходимым условием реализации указанной неоднородности является наличие не более одного скачкообразного изменения сечения, приходящегося на (1,5-2)λ_иа, что может быть выражено соотношением l_гр≥(1,5-2)λ_иа, где l_гр расстояние между скачкообразными изменениями ширины антенны, или длина звукового канала с постоянными граничными условиями (см. фиг. 5).

Использование: для приема и передачи ультразвуковых колебаний. Сущность изобретения: антенна выполнена из упругой пластины, жестко закрепленной двумя противоположными кромками на поверхности пьезоэлемента, причем ширина закрепленных кромок определяется длиной изгибной волны в пьезоэлементе, ширина антенны в средней части - длиной изгибной волны в антенне и длиной ультразвуковой волны в воздухе, а длина антенны - ее толщиной, скоростью распространения продольных волн в ней, частотой возбуждения и характером возбуждения ее изгибных колебаний, опоры выполнены в виде стержней и закреплены на узловой линии колебаний пьезоэлемента, пьезоэлемент установлен таким образом, что глубина его расположения в корпусе определяется наибольшей высотой антенны над внешней поверхностью пьезоэлемента, а расстояние между внутренней поверхностью пьезоэлемента и корпусом - длиной ультразвуковой волны в воздухе. 5 ил.

Ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус, биморфный пьезоэлемент в виде диска диаметром d и закрепленные по разные стороны пьезоэлемента антенну и жесткие стержневые опоры, причем антенна расположена со стороны открытого торца корпуса и выполнена симметричной относительно центральной оси пьезоэлемента, опоры установлены между пьезоэлементом и дном корпуса по узловой линии колебаний пьезоэлемента, отличающийся тем, что антенна выполнена в виде упругой пластины и жестко закреплена на поверхности пьезоэлемента двумя противоположными кромками, расстояние b между внешней поверхностью пьезоэлемента и плоскостью, проходящей через открытый торец корпуса, меньше или равно максимальной высоте антенны над поверхностью пьезоэлемента b₁, внутренний диаметр корпуса d₁ ≥ d + 2b, а расстояние между внутренней поверхностью пьезоэлемента и дном корпуса b₂ удовлетворяет неравенству

где длина акустической волны в воздухе,
m 1,2,3.

причем ширина закрепленных кромок антенны
ширина ее средней части , а длина

где λ_ип длина изгибной волны в пьезоэлементе в направлении, перпендикулярном узловой линии его колебаний;
λ_иа длина изгибной волны в антенне;
аргумент собственной моды изгибных колебаний антенны;
h₁ толщина антенны;
С_п скорость продольных волн в антенне;
f₀ собственная частота колебаний системы пьезоэлемент антенна.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что толщина антенны равна

где ρσ, E плотность, коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала антенны соответственно;
f_к р критическая частота, при которой λ_o= λ_иа.
3. Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в средней части антенны закреплено введенное жесткое тело, продольная ось которого перпендикулярна продольной оси антенны, причем минимальное расстояние b₃ между жестким телом и кромкой антенны определяется соотношением
λ_иа/4≅b₃≅λ_иа/2,
ширина поперечного сечения жесткого тела
a₄≅0,5λ2иаf_o/C_п;
высота

4. Преобразователь по пп. 1 3, отличающийся тем, что антенна имеет скачкообразные изменения ширины и выполнена симметричной относительно своих продольной и поперечной осей, причем расстояние между местами скачкообразного изменения ширины антенны l_г р выбрано из неравенства
l_rp≥(1,5-2)λ_иа ,
а ширина антенны на смежных участках отличается на величину
Δq_rp≥3.