ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ Российский патент 2004 года по МПК H04R1/22 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для излучения и приема акустических импульсов в широком диапазоне частот, обеспечивающих работу расходомеров, гидроакустических приборов, дефектоскопов.

Известны электроакустические преобразователи (ЭАП) с управляемой рабочей частотой, содержащие активный пьезоэлектрический элемент в виде пьезоэлектрических пластин встречной поляризации по отношению друг к другу, подключенных к генератору импульсов [1], [2].

Управление рабочей частотой в таких ЭАП может осуществляться путем изменения частоты генератора импульсов, при этом частота колебаний ЭАП уходит от его резонансной частоты, что приводит к снижению общей чувствительности устройства.

Другим недостатком ЭАП данного типа является трудность получения сдвиговых колебаний в низкочастотной области. Необходимость формирования низкочастотных колебаний связана с тем, что в низкочастотном диапазоне выше чувствительность ЭАП. Однако снижение частоты колебаний требует, как известно из [2], увеличения емкости ЭАП, что достигается увеличением площади пьезоэлектрических пластин, либо уменьшением их толщины. Такое изменение геометрии пьезоэлектрических пластин весьма ограничено, т.к. снижает технологичность изготовления и надежность работы.

Прототипом ЭАП с управляемой рабочей частотой является ЭАП, содержащий активный пьезоэлектрический элемент в виде пьезоэлектрической пластины с электродами на каждой стороне, одна из которых контактирует с акустическим проводником, а другая - с пьезоэлектрической нагрузкой, генератор, управляющее устройство и реактивно управляемую нагрузку, включенную в цепь пьезоэлектрической нагрузки, при этом рабочие выводы генератора подключены к пьезоэлектрической пластине, его запускающий вывод - ко входу управляющего устройства, выход которого соединен с управляющим входом реактивно управляемой нагрузки [3].

Недостатком устройства-прототипа является трудность получения колебаний в низкочастотной области пьезоэлектрических преобразователей в связи со значительным увеличением габаритов реактивных нагрузок (дросселей, конденсаторов) в этой области частот, что в свою очередь приводит к низкой технологичности и высокой стоимости изделия.

Задачей заявляемого изобретения является создание ЭАП с управляемой рабочей частотой, особенно в низкочастотной области колебаний, пьезоэлектрических элементов при малых габаритах и технологичности изготовления.

Указанная задача решается следующим образом. В электроакустическом преобразователе с управляемой частотой, содержащем активный пьезоэлектрический элемент в виде пластины с электродами на каждой стороне, одна из которых контактирует с акустическим проводником, а другая сторона контактирует с пьезоэлектрической нагрузкой, генератор и управляющее устройство, в качестве пьезоэлектрической нагрузки использована сборка из дополнительных пьезоэлектрических элементов, включенных механически последовательно между собой и с активным пьезоэлектрическим элементом, при этом каждый из дополнительных пьезоэлектрических элементов выполнен с поляризацией встречной по отношению друг к другу и активному пьезоэлектрическому элементу, каждая из сторон дополнительных пьезоэлектрических элементов имеет электрический контакт и вывод с возможностью соединения между собой и с первьм выводом активного пьезоэлектрического элемента, второй вывод которого является общим с выводом соседнего дополнительного пьезоэлектрического элемента, при этом генератор подключен первым и вторым рабочими выводами соответственно к первому и второму выводам активного пьезоэлектрического элемента, а вторым рабочим выводом через блок коммутации подключен к соединенным по заданному закону выводам дополнительных пьезоэлектрических элементов, при этом управляющее устройство соединено выходными выводами с управляющими электродами блока коммутации, а запускающим выводом соединено с входом генератора.

Предлагается для снижения частоты использовать пьезоэлектрические элементы с поперечной поляризацией.

Предлагается выполнять блок коммутации производящим переключение по следующему закону:

В₁―_{В3―В5―...―Вn+1→В2―В4―...―Вn,}

где B₁, B_n - выводы пьезоэлектрических элементов;

n - четное число, соответствующее общему числу пьезоэлементов.

Предлагается вариант устройства, в котором использован генератор, излучающий импульсы с постоянной длительностью τ ₌, которая связана с наибольшей постоянной времени возбуждения дополнительных пьезоэлектрических элементов τ _{nэ mах} соотношением

τ =>>τ _{nэ mах}.

Предлагается вариант устройства, в котором использован генератор, излучающий импульсы с переменной длительностью τ _{1... n}, изменяющейся по закону

где f_{1... n} - последовательность рабочих частот.

Предлагается вариант обратимого ЭАП с введенным приемным устройством, первый и второй сигнальные выходы которого соединены соответственно с первым и вторым рабочими выводами генератора.

Работа устройства поясняется с помощью фиг.1-4.

На фиг.1 представлена общая блок-схема ЭАП; на фиг.2 - временная диаграмма работы устройства; на фиг.3 - вариант блок-схемы обратимого ЭАП; на фиг.4 - вариант схемы блока коммутации.

Заявляемый электроакустический преобразователь с управляемой частотой (см. фиг.1) содержит активный пьезоэлектрический элемент 1 в виде пластины с электродами на каждой стороне, одна из которых контактирует с акустическим проводником 2, а другая сторона контактирует с пьезоэлектрической нагрузкой, генератор 3 и управляющее устройство 4; в качестве пьезоэлектрической нагрузки использована сборка из дополнительных пьезоэлектрических элементов 5₁..._{5n, включенных механически последовательно между собой и с активным пьезоэлектрическим элементом 1, при этом каждый из дополнительных пьезоэлектрических элементов 51...5n выполнен с поляризацией, встречной по отношению друг к другу и активному пьезоэлектрическому элементу, каждая из сторон дополнительных пьезоэлектрических элементов имеет электрический контакт и вывод с возможностью соединения между собой и с первым выводом активного пьезоэлектрического элемента, второй вывод которого является общим с выводом соседнего дополнительного пьезоэлектрического элемента, при этом генератор подключен первым и вторым рабочими выводами соответственно к первому и второму выводам активного пьезоэлектрического элемента, через блок коммутации подключен к соединенным по заданному закону выводам дополнительных пьезоэлектрических элементов, при этом управляющее устройство 4 соединено выходными выводами с управляющими электродами (Э1...Э2) блока коммутации 6, а запускающим выводом соединено с входом генератора.}

В ЭАП на фиг.1 использованы пьезоэлектрические элементы 1, 5₁..._{5n с поперечной поляризацией. Крепление пьезоэлектрических пьезоэлементов в сборке осуществляется обычно проводящим клеем.}

В качестве наиболее оптимальной схемы переключения предлагается вариант, когда блок коммутации производит переключение по закону

B₁―_{В3―В5―...―Bn+1→В3―В4―...―Вn,}

где B₁, B_n - выводы пьезоэлектрических элементов;

n - четное число, соответствующее общему числу пьезоэлементов.

Пример выполнения блока коммутации с подобным законом переключения приведен на фиг.4.

Устройство работает следующим образом. Общий алгоритм работы задается управляющим устройством 4. При поступлении с запускающего вывода сигнала на вход генератора 3 последний выдает импульс напряжения, поступающий с первого рабочего вывода генератора на первый вывод B₁ активного пьезоэлектрического элемента 1 и со второго рабочего вывода генератора на второй вывод В₂ элемента 1, при этом вывод В₂ является одновременно выводом соседнего дополнительного пьезоэлектрического элемента. С помощью блока коммутации 6 осуществляется заданная коммутация, в частности, определяемая законом (1).

В этом случае к первому выводу элемента 1 подсоединяются выводы нечетных дополнительных пьезоэлектрических элементов B₁―_{В3―В5―...―Вn, а ко второму его выводу подсоединяются выводы четных дополнительных пьезоэлектрических элементов В3―В4―... ― Вn.}

Осуществляя попарное подключение выводов четного и нечетного элементов, соответственно изменяют участвующее в работе количество дополнительных пьезоэлектрических элементов.

При подаче импульса напряжения на сборку пьезоэлектрических элементов в последних возбуждают акустические пьезоэлектрические колебания, передающиеся акустическому проводнику 2. В данном случае акустический проводник 2 имеет форму призмы и передает акустические колебания на трубопровод с жидкостью 7 (прохождение колебаний указано пунктирными стрелками).

Благодаря противоположной поляризации смежных пьезоэлектрических элементов происходит взаимная компенсация электрической индуктивности и напряженность электрического поля оказывается определяющей для частоты колебаний [2].

В этом случае скорость сдвиговых колебаний С, возникающих при поперечной поляризации пьезоэлектрического элемента, оказывается минимальной и определяется в виде [4]

где ρ - плотность пьезоэлектрика;

SE44

При осуществлении контактов по закону (1) пьезоэлектрические элементы подключаются электрически параллельно. В этом случае общая емкость прямо пропорционально увеличивается, а скорость колебаний С и, следовательно, частота колебаний соответственно уменьшаются. Механически последовательное соединение элементов позволяет формировать в сборке единые колебания, передающиеся через акустический проводник 2.

Можно показать, что частота колебаний f_n определяется в этом случае уравнением

где С - скорость сдвиговых колебаний по (2);

n - число пьезоэлектрических элементов;

h - толщина одной пьезоэлектрической пластины.

Выходное напряжение генератора (3) может формироваться в двух режимах:

1. в виде импульсов с постоянной длительностью τ ₌,

2. в виде последовательности импульсов с длительностью τ _{1... n}, увеличивающейся при понижении частоты колебаний.

В первом случае величина τ ₌ должна во много раз превышать наибольшую постоянную времени возбуждения дополнительных пьезоэлектрических элементов τ _{nэ mах}, т.к. только в этом случае длительность τ ₌ оказывается достаточной для формирования колебаний во всем рабочем диапазоне частот. Таким образом, в этом случае необходимо выполнение соотношения

τ =>>τ _{nэ mах}. (4)

Во втором случае длительность импульсов генератора оптимизируется таким образом, чтобы весь процесс работы ЭАП, предусматривающий последовательное изменение частоты в заданном диапазоне, производился с минимально возможной длительностью. В этом случае импульсы задаются с переменной длительностью τ _1...n, каждое значение которой соответствует работе на конкретной частоте, при этом в диапазоне рабочих частот, предусматривающем обычно изменение частоты в сторону минимальной частоты, постоянная τ _{1... n} непрерывно увеличивается, соответствуя уравнению

где f_{1... n} - последовательность рабочих частот.

На временных диаграммах работы ЭАП на фиг.2 рассматривается случай постоянной длительности импульса. На временных диаграммах использованы следующие обозначения:

U₄ - форма импульса с блока 4;

U₃ - форма импульса с блока 3;

U⁽¹⁾-U⁽ⁿ⁾ - форма напряжения на выходе пьезоэлемента в зависимости от числа включенных пьезоэлементов.

Выше рассматривалась работа ЭАП в режиме обратного пьезоэффекта, когда возникновение механических колебаний происходит под действием приложенного напряжения. ЭАП данной структуры может использоваться и как обратимый преобразователь, работающий как в режиме обратного, так и в режиме прямого пьезоэффекта. В последнем случае при воздействии на акустический проводник 2 (фиг.3), механических колебаний в сборке из активного элемента 1 и дополнительных пьезоэлектрических элементов возникают (при отключенном генераторе 3) электрические колебания, которые могут регистрироваться введенным приемным устройством 8. Управляющий вход приемного устройства включает его при завершении работы генератора и соответствующего цикла механических колебаний ЭАП, с этой целью управляющий вход приемного устройства связан со входом генератора через инвертор 9. Первый и второй сигнальные входы приемного устройства оказываются подключенными к электрическим выводам ЭАП в соответствии с законом переключения (1), при этом они оказываются соединенными с одноименными рабочими выводами генератора. Защита входа приемного устройства от превышения напряжения и задержка включения в разных режимах работы и переключение пьезоэлектрических элементов обеспечиваются известными методами внутренней схемой блока 8.

Один из возможных вариантов выполнения блока коммутации 6 приведен на фиг.4. Блок выполнен из набора кнопочных переключателей SA1-SAn с нарастающим числом контактов: от 2-х в SA1(K11-K12) до n в SAn(Kn1-Knn); последовательное включение SA1-SAn позволяет осуществлять последовательное подключение дополнительных пьезоэлектрических элементов. При включении кнопки SA1 происходит замыкание ключей К11 и К12, в результате чего подается переменное электрическое напряжение U^~ на выводы B₁ и В₂ пьезоэлемента 1, и пьезоэлемент 1 является активным рабочим пьезоэлементом, а остальные пьезоэлементы являются нерабочими. При включении кнопки SA2 замыкаются ключи К21, К22 и К23, переменное электрическое напряжение U^~ подается на выводы B₁, B₂ и В₃ пьезоэлемента 1 и пьезоэлемента 5₁, рабочими пьезоэлементами являются пьезоэлементы 1 и 5₁, остальные - нерабочими и т.д. (фиг.4).

Предложенный ЭАП был изготовлен на основе поперечно поляризованных пьезоэлектрических пластин, в качестве звуковода 2 использовалась металлическая призма.

Источники информации

1. Патент РФ 612716, класс Н 04 R 17/00, 1978 г.

2. Пьезокерамические преобразователи. Справочник. / Под ред. С.И. Пугачева. Л.: Судостроение, 1983 г.

3. Патент РФ 492049, класс Н 04 R 1/22, 1976 г.

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для излучения и приема акустических импульсов в широком диапазоне частот, обеспечивающих работу расходомеров, гидроакустических приборов, дефектоскопов. Предложен электроакустический преобразователь, содержащий активный пьезоэлектрический элемент в виде пластины с электродами на каждой стороне, одна сторона контактирует с акустическим проводником, а другая сторона контактирует с пьезоэлектрической нагрузкой, генератор и управляющее устройство. В качестве пьезоэлектрической нагрузки использована сборка из дополнительных пьезоэлектрических элементов, включенных механически последовательно между собой и с активным пьезоэлектрическим элементом. При этом каждый из дополнительных пьезоэлектрических элементов выполнен с поляризацией, встречной по отношению друг к другу и активному пьезоэлектрическому элементу. Техническим результатом является создание электроакустического преобразователя с управляемой рабочей частотой в низкочастотной области колебаний пьезоэлектрических элементов при малых габаритах и технологичности изготовления. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электроакустический преобразователь с управляемой частотой, содержащий активный пьезоэлектрический элемент в виде пластины с электродами на каждой стороне, одна из которых контактирует с акустическим проводником, а другая сторона контактирует с пьезоэлектрической нагрузкой, генератор и управляющее устройство, отличающийся тем, что в качестве пьезоэлектрической нагрузки использована сборка из дополнительных пьезоэлектрических элементов, включенных механически последовательно между собой и с активным пьезоэлектрическим элементом, при этом каждый из дополнительных пьезоэлектрических элементов выполнен с поляризацией, встречной по отношению друг к другу и активному пьезоэлектрическому элементу, каждая из сторон дополнительных пьезоэлектрических элементов имеет электрический контакт и вывод с возможностью соединения между собой и с первым выводом активного пьезоэлектрического элемента, второй вывод которого является общим с выводом соседнего дополнительного пьезоэлектрического элемента, при этом генератор подключен первым и вторым рабочими выводами соответственно к первому и второму выводам активного пьезоэлектрического элемента, а через блок коммутации подключен к соединенным по заданному закону выводам дополнительных пьезоэлектрических элементов, при этом управляющее устройство соединено выходными выводами с управляющими электродами блока коммутации, а запускающим выводом соединено со входом генератора.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что использованы пьезоэлектрические элементы с поперечной поляризацией.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок коммутации производит переключение по следующему закону:

В₁-В₃-В₅-...-В_n+1→_{В2-В4-...-Вn,}

где В₁, В_n - выводы пьезоэлектрических элементов;

n - четное число, соответствующее общему числу пьезоэлементов.

τ =>>τ _{nэ max}.

где f_1...n - последовательность рабочих частот.