Устройство для возбуждения пьезоэлектрических акустических преобразователей Российский патент 2019 года по МПК G01N29/34 

Изобретение относится к области электроники и применяется в качестве источника резонансного напряжения и тока для возбуждения пьезоэлектрических акустических преобразователей, применяющихся в фазированных акустических решетках устройств дальнего действия работающих в звуковом и ультразвуковом спектре частот. Может применяться в акустической эхолокации, устройствах охранной, пожарной, тревожной сигнализации, научных исследованиях.

Известно устройство для возбуждения пьезоэлементов электрических преобразователей в котором, с целью увеличения напряжения питания газоразрядной лампы, пьезоэлектрический преобразователь подключен к емкости последовательного колебательного контура вместе с нагрузкой. Патент US 7, 683, 554 В2.

Технический недостаток аналога: частичное, не полное использование энергии последовательного, индуктивно-емкостного, колебательного контура, так как происходит разветвление тока через емкость, пьезоэлемент и нагрузку. Последовательно соединены два последовательных колебательных контура, что вносит дополнительные потери и уменьшает КПД.

Наиболее близким, к заявленному изобретению по технической сущности и решаемой задаче, является прототип, устройство для возбуждения пьезоэлементов электрических преобразователей, содержащее генератор переменного тока резонансной частоты, к выходу которого подключен последовательный, индуктивно-емкостный колебательный контур, к емкости которого подключен пьезоэлемент электрического преобразователя с диодно-емкостной нагрузкой. Патент US 3683210. 1970 г.

Технический недостаток прототипа: как в аналоге, пьезоэлемент электрического преобразователя и нагрузка подключены к емкости последовательного колебательного контура, что приводит к ухудшению добротности колебательного контура и снижению КПД устройства.

Техническая задача: максимально полное использование энергии последовательного, индуктивно-емкостного, колебательного контура для возбуждения группы пьезоэлектрических акустических преобразователей, увеличение КПД устройства

Согласно изобретению, в устройстве, содержащем задающий генератор резонансной частоты, соединенный через управляемые фазовращатели с усилителями мощности, подключены идентичные электрические цепи, состоящие из последовательно соединенных, параллельных индуктивно-емкостных колебательных контуров, последовательных индуктивно--емкостных колебательного контуров, расчетные емкости которых, замещены (заменены) внутренними емкостями групп пьезоэлектрических преобразователей.

На ФИГ-1 показана схема устройства для возбуждения групп пьезоэлектрических акустических преобразователей.

Устройство содержит задающий генератор резонансной частоты 1, управляемые фазовращатели 2, включенные между задающим генератором и усилителями мощности 3, к выходам которых подключены идентичные электрические цепи, состоящие из последовательно соединенных между собой параллельного, индуктивно-емкостного, колебательного контура 4, последовательного, индуктивно-емкостного, колебательного контура 5-6, расчетная емкость которого замещена (заменена) внутренними емкостями группы, соединенных между собой, пьезоэлектрических акустических преобразователей 6. Расчетная емкость на схеме не обозначена, так как ее заменили внутренние емкости пьезоэлектрических акустических преобразователей.

В исходном состоянии задающий генератор 1 и усилители мощности 3 отключены от источника питания (на схеме не указан).

Устройство для возбуждения пьезоэлектрических акустических преобразователей работает следующим образом. При подаче питающего напряжения, задающий генератор 1 генерирует электрические колебания, частота которых равна резонансной частоте пьезоэлектрических акустических преобразователей. Далее электрические колебания проходят через управляемые фазовращатели 2 и поступают в усилители мощности 3, к которым последовательно подсоединены параллельный индуктивно-емкостный колебательный контур 4, настроенный на вторую гармонику резонансных электрических колебаний задающего генератора, которую подавляет, пропуская электрические резонансные колебания основной частоты, что уменьшает нелинейные искажения. Пройдя через параллельный колебательный контур, токи резонансной частоты, возбуждают в последовательном колебательном контуре, в индуктивности и емкости резонансные колебания, величина амплитуды которых зависит от добротности элементов колебательного контура. Учитывая, что указанная добротность пьезоэлементов пьезоэлектрических акустических преобразователей весьма высокая, то замещение (замена) ими расчетной емкости последовательного колебательного контура, не приводит к потере его общей добротности. При этом, достигается максимально возможная амплитуда резонансных электрических колебаний на пьезоэлементах пьезоэлектрических акустических преобразователей и максимально используется мощность последовательного колебательного контура. Это дало возможность одним последовательным колебательным контуром обеспечить напряжением возбуждения одновременно группу пьезоэлектрических акустических преобразователей. Практически в фазированных акустических решетках количество акустических преобразователей доходит до 100 штук. Применение в изобретении одновременно нескольких усилителей мощности позволило произвести раздельное возбуждение групп пьезоэлектрических акустических преобразователей, что дало возможность, с помощью управляемых фазовращателей, осуществлять сканирование акустическими колебаниями в вертикальной и горизонтальной плоскости. Изобретение обеспечило увеличение акустического давления с высоким КПД.

В результате экспериментов установлено, что на частоте 3 килогерца при расчетной емкости последовательного колебательного контура равной 1 микрофараде, ее можно заменить двадцатью пьезоэлектрическими акустическими преобразователями, при их внутренней емкости 0,05 мкф или десятью преобразователями, при внутренней емкости 0,1 микрофарада. Кроме того удалось паразитную внутреннюю емкость пьезоэлектрического акустического преобразователя использовать в качестве рабочей емкости последовательного колебательного контура с высоким КПД.

Использование: для возбуждения пьезоэлектрических акустических преобразователей. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для возбуждения пьезоэлектрических акустических преобразователей состоит из генератора электрических колебаний, с выходом которого соединен последовательный индуктивно-емкостный колебательный контур, к емкости которого подключен пьезокерамический преобразователь, при этом к выходным усилителям мощности задающего генератора прямоугольных электрических колебаний подключены идентичные электрические цепи, состоящие из последовательно соединенных параллельного индуктивно-емкостного колебательного контура, настроенного на вторую гармонику электрических колебаний задающего генератора, последовательного индуктивно-емкостного колебательного контура, расчетная емкость которого замещена (заменена) суммой внутренних емкостей, соединенных между собой группой пьезоэлектрических акустических преобразователей, имеющих равную резонансную частоту с частотой электрических колебаний задающего генератора, между которым и усилителями мощности включены фазовращатели, позволяющие сканировать акустические колебания в вертикальной и горизонтальной плоскости. Технический результат: обеспечение возможности максимально полного использования энергии последовательного индуктивно-емкостного колебательного контура для возбуждения группы пьезоэлектрических акустических преобразователей, а также увеличение КПД устройства. 1 ил.

Устройство для возбуждения пьезоэлектрических акустических преобразователей, состоящее из генератора электрических колебаний, с выходом которого соединен последовательный индуктивно-емкостный колебательный контур, к емкости которого подключен пьезокерамический преобразователь, отличающееся тем, что к выходным усилителям мощности задающего генератора прямоугольных электрических колебаний подключены идентичные электрические цепи, состоящие из последовательно соединенных параллельного индуктивно-емкостного колебательного контура, настроенного на вторую гармонику электрических колебаний задающего генератора, последовательного индуктивно-емкостного колебательного контура, расчетная емкость которого замещена (заменена) суммой внутренних емкостей, соединенных между собой группой пьезоэлектрических акустических преобразователей, имеющих равную резонансную частоту с частотой электрических колебаний задающего генератора, между которым и усилителями мощности включены фазовращатели, позволяющие сканировать акустические колебания в вертикальной и горизонтальной плоскости.