СТЕРЖНЕВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к области проектирования электроакустической аппаратуры, в частности антенн, содержащих пьезоэлектрические преобразователи.

Известны и широко применяются пьезоэлектрические преобразователи, состоящие из пьезоэлементов, совершающих продольные колебания по высоте стержней или по ширине пластин из пьезоэлектрической керамики с использованием продольного или поперечного пьезоэффекта, у которых электроды нанесены на торцовые или боковые поверхности, соответственно такие пьезоэлементы называют стержневыми [1]
При работе в обратимом режиме эффективность преобразователей характеризуется двумя факторами: наибольшей допустимой излучаемой акустической мощностью W_{ак.макс.} и значением чувствительности в режиме приема γ_xx при условии согласования внутреннего сопротивления преобразователя (его электрической емкости) с приемным трактом.

Максимальная удельная акустическая мощность (W_ак.уд. W_ак.уд./S, где S площадь излучающей поверхности) преобразователей рассматриваемого типа определяется их динамической механической плотностью. В то же время по электрической прочности у стержневых преобразователей имеется запас, и если при улучшении условия электрического согласования с приемным трактом происходит ухудшение электромеханического преобразования, то значение W_{ак.макс.} может быть достигнуто за счет увеличения в некоторых пределах электрического напряжения на преобразователе.

Учитывая, что W_{ак.макс.} определяется динамической прочностью конструкции и не зависит от мер по электрическому согласованию преобразователя с приемным трактом, можно ввести коэффициент, характеризующий изменение эффективности преобразователя, при таком согласовании (обозначим его А) с помощью соотношения
A = γ_xx/W_эл., ...(1)
где
γ_xx чувствительность преобразователя, значение которого изменяется при изменении его сопротивления (емкости);
W_эл. электрическая мощность, которую надо сообщать преобразователю для обеспечения значения W_{ак.макс.}
Воспользовавшись соотношением , где K_эф. эффективный коэффициент связи преобразователя, приведем выражение (1) к виду:

Таким образом, при неизменном в процессе электрического согласования значении W_{ак.макс.} общая эффективность обратимого преобразователя определяется значением произведения

Потенциально наибольшей эффективностью обладают преобразователи, состоящие из пьезоэлементов, на длине которых укладывается половина длины волны звуковых колебаний (полуволновые преобразователи), работающие с использованием продольного пьезоэффекта. Однако применение таких пьезоэлементов ограничено областью относительно высоких (100 кгц) частот, поскольку при резонансном размере l с/2 f_p (с скорость звука в керамике, f_p частота, соответствующая полуволновому резонансу) большем, чем (1,0-1,5) см, пьезокерамику трудно качественно заполяризовать (l 1,2 см, соответствует f_p 110 кГц).

При необходимости работы на частотах ниже 100 кГц в преобразователях с использованием продольного пьезоэффекта приходится применять пьезоэлементы секционированной конструкции. Однако, наличие клеевых соединений в пьезоэлементе приводит к резкому уменьшению динамической прочности преобразователя и, соответственно, значения W_{ак.макс}. Введение же упрочняющих конструктивных элементов приводит к усложнению преобразователя и уменьшению его эффективности.

С учетом этого при работе на частотах ниже 100 кГц становится целесоообразным применять полуволновые пьезоэлементы с электродами на боковых поверхностях механической системы, работающей с использованием поперечного пьезоэффекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является стержневой пьезоэлемент, содержащий полуволновой пьезокерамический стержень и два электрода, нанесенные на его противоположные боковые поверхности [1]
Недостатком такого пьезоэлемента является относительно малое значение чувствительности при его работе в режиме приема при значении емкости, превышающем необходимое для оптимального согласования с приемным трактом, а стало быть уменьшенная эффективность.

Технический результат от использования изобретения состоит в увеличении эффективности работы обратимого преобразователя за счет увеличения его чувствительности в режиме приема при улучшении условия согласования с приемным трактом.

Данный технический результат достигается за счет того, что симметричные участки боковых поверхностей вблизи торцов пьезоэлемента свободны от электродов, а размер электродов составляет 0,4-0,85 от половины длины волны звука в пьезокерамическом стержне.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2 где на фиг. 1 представлены конструкция пьезоэлемента, на фиг. 2 приведены зависимости, характеризующие эффективность предлагаемого пьезоэлемента при работе в обратном режиме.

Пьезоэлемент представляет собой полуволновый пьезокерамический стержень 1 с электродами в виде полос 2, расположенных на боковых поверхностях симметрично относительно среднего сечения 3. Электрические выводы 4 присоединены к электродам и служат для подачи на пьезоэлемент рабочего напряжения. Ширина электродов Δ составляет 0,4-0,85 от резонансного размера стержня, т.е. от половины длины звуковой волны в нем.

Работа преобразователя происходит следующим образом. На преобразователь через электрические выводы подается электрическое напряжение, необходимое для излучения заданной акустической мощности. Максимальный уровень излучаемой мощности, определяемый динамической прочностью преобразователя, остается неизменным, если при изменении ширины электрода подводимое напряжение изменять в соответствии с зависимостью 1 на фиг. 2, что допустимо, поскольку у стержневого пьезоэлемента имеется значительный запас электрической прочности.

При этом условии изменения эффективности преобразователя при работе в обратном режиме определяется изменением его чувствительности в режиме приема, отнесенной к потребляемой в режиме излучения электрической мощности (зависимость II на фиг. 2). При изменении соответственно условиям согласования с конкретным приемным трактом емкости преобразователя путем уменьшения относительной ширины электродов D/l в пределах до 0,85-0,4 достигается увеличение чувствительности преобразователя в режиме приема и общей его эффективности в обратном режиме в соответствии с зависимостями III и II на фиг. 3. Уменьшать отношение Δ/l ниже значения 0,4 нецелесообразно, поскольку при незначительном увеличении чувствительности и сохранении некоторого выигрыша по коэффициенту общей эффективности, при этом происходит общий рост электрического рабочего напряжения.

Изменять размер электрода в пределах 1>Δ/l> 0,85 нецелесообразно, поскольку несущественное увеличение чувствительности, которое при этом происходит, не оправдывает технологического усложнения, связанного с нанесением электрода не на полную высоту.

Итак, при уменьшении в определенных пределах размеров электродов происходит увеличение эффективности пьезоэлемента при работе в обратимом режиме (зависимость IV фиг. 2).

Отметим, что сделанный вывод качественно сохраняется, если поверхности с электродами не параллельны, а находятся под малым углом друг к другу.

Использование: при конструировании гидроакустической аппаратуры. Сущность изобретения: в стержневом полуволновом пьезоэлектрическом элементе с электродами, нанесенными на боковые поверхности, симметричные участки боковых поверхностей вблизи торцов пьезоэлемента свободны от электродов и размер электродов составляет 0,4-0,85 от половины длины волны звука в пьезокерамическом стержне. 2 ил.

Стержневой пьезоэлемент, содержащий полуволновый пьезокерамический стержень и два электрода, нанесенные на его противоположные боковые поверхности, отличающийся тем, что симметричные участки боковых поверхностей вблизи торцов пьезоэлемента свободны от электродов и размер электродов составляет 0,4 0,85 половины длины волны звука в пьезокерамическом стержне.