СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВНОГО ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2025 года по МПК H04R31/00 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно - к способам изготовления электроакустических преобразователей (ЭАП), содержащих пьезокерамические активные элементы.

В электроакустике широко применяются составные ЭАП, содержащие электрически связанные активные пьезокерамические элементы (далее пьезоэлементы), соединенные в пьезоблок путем их склейки с помощью эпоксидного клея, отверждающегося в процессе его полимеризации.

Так, например, в RU208855 описана конструкция ЭАП, содержащего кольцевые активные пьезоэлементы, изготовленные из пьезокерамического материала, в частности, из материала системы цирконата - титаната свинца. Указанные пьезоэлементы соединены в пьезоблок путем их склейки друг с другом своими торцевыми металлизированными поверхностями с помощью отверждающегося в процессе полимеризации эпоксидного клея, в частности, эпоксидного клея марки ДМ-5-65. На противоположных торцах пьезоблока установлены кольцевые пассивные согласующие элементы, изготовленные из керамического материала, поверх которых расположены соответственно тыльная и излучающая металлические накладки. Указанные кольцевые пассивные элементы соединены с торцами пьезоблока и с соответствующей металлической накладкой также путем склейки эпоксидным клеем ДМ-5-65.

Из уровня техники известно, что выбор технологических приемов, обуславливающих режим полимеризации и отверждения клея, используемого при изготовлении ЭАП, является существенным фактором, влияющим на его работу.

Так, известен способ изготовления составного ЭАП [RU 2554591], содержащего соединенные друг с другом путем склейки пьезоэлементы, который включает нанесение на склеиваемые поверхности пьезоэлементов отверждающегося в процессе полимеризации эпоксидного клея марки ДМ-5-65 и последующее соединение пьезоэлементов в пьезоблок путем их склейки.

При этом нанесение клея на склеиваемые поверхности пьезоэлементов осуществляют при воздействии на клей ультразвуковыми (УЗ) колебаниями частотой 18-22 кГц и амплитудой 4 или 3 мкм при обеспечении зазора между наконечником УЗ излучателя и поверхностью пьезоэлемента 0,3 или 0,2 мм.

Далее осуществляют тепловую обработку собранного ЭАП в электропечи путем его нагрева до заданной температуры порядка 70°С и выдержки в течение заданного времени до отверждения клея. При этом заданное время выдержки предварительно определяется экспериментально для образца клея из используемой партии клея.

Данный способ позволяет получать ЭАП с относительно хорошими характеристиками, однако он является сложным и трудоемким в осуществлении и требует специального аппаратурного оформления.

Известен способ изготовления составного ЭАП [RU 2552591], выбранный в качестве прототипа.

Рассматриваемый способ включает нанесение на торцевые поверхности пьезоэлементов эпоксидного клея марки ДМ-5-65, отверждающегося в процессе полимеризации, и сборку из них пьезоблока путем последовательного соединения пьезоэлементов друг с другом их торцевыми поверхностями. При этом в процессе изготовления ЭАП на клей воздействуют электромагнитным полем СВЧ.

Воздействие полем СВЧ на клей с целью его отверждения осуществляют после сборки пьезоэлементов в пьезоблок. Собранный ЭАП помещают в печь СВЧ, выдерживают его в печи СВЧ в течение некоторого времени и изымают из печи СВЧ. Указанные операции повторяют периодически с обеспечением суммарного времени пребывания ЭАП в поле СВЧ, соответствующего времени отверждения клея в клеевых соединениях.

Указанное время, требуемое для отверждения клея в клеевых соединениях, предварительно определяют экспериментально при выбранной мощности печи СВЧ для образца клея из используемой партии клея.

Благодаря воздействию на клей полем СВЧ сокращается время его отверждения и, соответственно, время изготовления ЭАП.

Однако данный способ является сложным и трудоемким, поскольку в ходе его осуществления требуется периодически помещать собранный ЭАП в печь СВЧ и изымать его из печи. Периодический режим воздействия полем СВЧ на собранный ЭАП необходим для предотвращения нагрева пьезокерамики выше температуры Кюри, что может привести к снижению или утрате пьезоэлементами эксплуатационных характеристик

Технической проблемой, решаемой при реализации заявляемого изобретения, является упрощение способа изготовления составного ЭАП при обеспечении его высоких эксплуатационных характеристик.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления составного ЭАП, содержащего в качестве активных элементов соединенные путем склейки пьезоэлементы, включающем нанесение на торцевые поверхности пьезоэлементов эпоксидного клея марки ДМ-5-65, отверждающегося в процессе полимеризации, сборку пьезоблока путем последовательного соединения пьезоэлементов друг с другом их торцевыми поверхностями, при этом в процессе изготовления ЭАП на клей воздействуют электромагнитным полем СВЧ, согласно изобретению наносят на склеиваемые поверхности эпоксидный клей марки ДМ-5-65, предварительно выдержанный в электромагнитном поле СВЧ до достижения температуры клея (110-120)°С, а собранный пьезоблок выдерживают в течение суток при комнатной температуре, а затем в течение суток при температуре 65°С.

Принципиально важным в заявляемом способе является то, что при изготовлении ЭАП используют эпоксидный клей ДМ-5-65, предварительно выдержанный в поле СВЧ до достижения температуры 110-120°С, а последующее отверждение клея в клеевых соединениях осуществляют путем выдержки собранного изделия в течение суток при комнатной температуре, а затем в течение суток при температуре 65°С.

Как показали экспериментальные исследования, при нагреве клея ДМ-5-65 в поле СВЧ до температуры 110-120°С он сохраняет жидкое состояние, необходимое для нанесения клея на склеиваемые поверхности, при этом в нем начинают протекать реакции полимеризации, обеспечивающие его последующее отверждение.

Исследования (в частности, такие, как инфракрасная спектроскопия, микроскопические исследования, исследования реологических характеристик) показывают, что в указанном режиме воздействия на клей полем СВЧ в нем образуются полимерные цепочки, но не наблюдается их пространственная сшивка, обуславливающая гелеобразование.

Описанное выше структурное состояние клея ДМ-5-65, достигаемое в ходе воздействия на него поля СВЧ, сохраняется в течение 2-3 ч, что является достаточным для склейки партии готовых изделий.

Режим последующего отверждения клея путем выдержки собранного изделия в течение суток при комнатной температуре, а затем в течение суток при температуре 65°С, подобран авторами опытным путем из условия обеспечения полного отверждения клея ДМ-5-65 в клеевых соединениях.

Преимуществом заявляемого способа является то, что он не является трудоемким и сложным в реализации, воздействие на клей полем СВЧ осуществляют в непрерывном режиме, при этом не требуется использовать специальное сложное оборудование. Кроме того, в процессе сборки ЭАП не подвергается воздействию поля СВЧ, то есть не происходит нагрева пьезокерамических элементов.

Как показывают исследования, при реализации способа достигаются высокие эксплуатационные характеристики собранного ЭАП.

Так, были проведены испытания динамической прочности в сильном электрическом поле партии ЭАП, изготовленных по заявляемому способу путем создания в них динамических напряжений на резонансной частоте и контроле проходящего электрического тока предельной величины до появления искажений формы сигнала. Среднее значение предельной полной амплитуды рабочего тока в партии ЭАП составило 1, 43 ампера.

Указанный показатель свидетельствует о высокой адгезионной прочности и надежности клеевых соединений в ЭАП, что обуславливает высокую эксплуатационную надежность электроакустического преобразователя.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является упрощение способа изготовления составного ЭАП при обеспечении его высоких эксплуатационных характеристик, что обусловлено использованием для соединения пьезоэлементов клея ДМ-5-65, предварительно выдержанного в поле СВЧ в указанном выше режиме.

На фигуре представлен общий вид ЭАП.

Способ реализуют следующим образом.

Соединение конструктивных элементов ЭАП осуществляют путем склейки с использованием клея марки ДМ-5-65.

Используют клей, предварительно выдержанный в электромагнитном поле СВЧ.

Помещают емкость с клеем в печь СВЧ.

При этом емкость в печи СВЧ устанавливают на подставку их двух слоев диэлектрика, нижний из которых выполнен из диэлектрического материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь, в частности, из вспученного вермикулита, а верхний слой выполнен из высокоомного диэлектрика, в частности, из оксида алюминия. Благодаря установке емкости с клеем в печи СВЧ на два слоя указанных материалов обеспечивается равномерность нагрева клея в печи СВЧ.

При заданной мощности печи выдерживают клей в поле СВЧ в течение времени, требуемого до достижения температуры 110-120°С на поверхности клея.

Контроль температуры, в частности, осуществляют с помощью оптического пирометра, размещаемого вблизи поверхности клея (при выключенной печи СВЧ).

Наносят обработанный СВЧ полем клей на торцевые поверхности склеиваемых конструктивных элементов ЭАП, в том числе на металлизированные торцевые поверхности активных пьезоэлементов.

Осуществляют сборку составного ЭАП, основу которого составляет пьезоблок, собранный из активных пьезоэлементов.

Для отверждения клея ДМ-5-65 в клеевых соединениях собранный ЭАП выдерживают в течение суток при комнатной температуре, а затем в течение суток при температуре 65°С.

Возможность реализации способа показана в примерах его конкретного выполнения.

Пример 1.

Изготавливали составной ЭАП следующим образом.

Соединение конструктивных элементов ЭАП осуществляли путем склейки с использованием клея марки ДМ-5-65.

Использовали клей, предварительно выдержанный в электромагнитном поле СВЧ.

Мощность печи СВЧ составляла 800 Вт, клей выдерживали в течение 90 с до достижения температуры 112°С на поверхности клея.

Наносили клей на обезжиренные торцевые поверхности склеиваемых элементов, в том числе, на металлизированные торцевые поверхности активных пьезоэлементов.

Осуществляли сборку составного ЭАП, основу которого составлял пьезоблок, собранный из активных пьезоэлементов.

Конструкция изготавливаемого ЭАП (см. фигуру) включала стержневой армирующий элемент 1, предназначенный для установки на нем конструктивных элементов ЭАП, в том числе, накидную гайку 2, предназначенную для стягивания конструктивных элементов ЭАП на армирующем элементе 1, тыльную металлическую накладку 3, пьезоблок (на фигуре позицией не обозначен), кольцевые пассивные согласующие керамические элементы 4 (на фигуре позицией обозначен один согласующий керамический элемент), размещенные на торцах пьезоблока.

Пьезоблок включал активные кольцевые керамические пьезоэлементы 5, электрически соединенные друг с другом с помощью электрической цепи 6 и механически соединенные путем склейки их металлизированных торцевых поверхностей.

На нижнем торцевом конце ЭАП смонтированы последовательно расположенные защитное стальное кольцо 7 и излучающая металлическая накладка 8.

Для отверждения клея ДМ-5-65 в клеевых соединениях собранный ЭАП выдерживали в течение суток при комнатной температуре, а затем в течение суток при температуре 65°С.

Пример 2.

Изготавливали составной ЭАП следующим образом.

Соединение конструктивных элементов ЭАП осуществляли путем склейки с использованием клея марки ДМ-5-65.

Использовали клей, предварительно выдержанный в электромагнитном поле СВЧ.

Мощность печи СВЧ составляла 1100 Вт, клей выдерживали в течение 45 с до достижения температуры 115°С на поверхности клея.

Наносили клей на обезжиренные торцевые поверхности склеиваемых элементов, в том числе, на металлизированные торцевые поверхности активных пьезоэлементов.

Осуществляли сборку составного ЭАП, основу которого составлял пьезоблок, собранный из активных пьезоэлементов.

Конструкция ЭАП соответствовала конструкции составного ЭАП, представленного на фигуре и описанного в Примере 1.

Для отверждения клея ДМ-5-65 в клеевых соединениях собранный ЭАП выдерживали в течение суток при комнатной температуре, а затем в течение суток при температуре 65°С.

Пример 3.

Изготавливали составной ЭАП следующим образом.

Соединение конструктивных элементов ЭАП осуществляли путем склейки с использованием клея ДМ-5-65.

Использовали клей, предварительно выдержанный в электромагнитном поле СВЧ.

Мощность печи СВЧ составляла 1100 Вт, клей выдерживали в течение 60 с до достижения температуры 120°С на поверхности клея.

Наносили клей на обезжиренные торцевые поверхности склеиваемых элементов, в том числе, на металлизированные торцевые поверхности активных пьезоэлементов.

Осуществляли сборку составного ЭАП, основу которого составлял пьезоблок, собранный из активных пьезоэлементов.

Конструкция ЭАП соответствовала конструкции составного ЭАП, представленного на фигуре и описанного в Примере 1.

Для отверждения клея ДМ-5-65 в клеевых соединениях собранный ЭАП выдерживали в течение суток при комнатной температуре, а затем в течение суток при температуре 65°С.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к способам изготовления составных электроакустических преобразователей (ЭАП), содержащих пьезокерамические активные элементы. Способ изготовления составного электроакустического преобразователя, содержащего в качестве активных элементов соединенные путем склейки пьезокерамические элементы, включает нанесение на торцевые поверхности пьезокерамических элементов эпоксидного клея марки ДМ-5-65, отверждающегося в процессе полимеризации, сборку пьезоблока путем последовательного соединения пьезокерамических элементов друг с другом их торцевыми поверхностями, при этом в процессе изготовления электроакустического преобразователя на клей воздействуют электромагнитным полем СВЧ. При этом наносят на склеиваемые поверхности эпоксидный клей марки ДМ-5-65, предварительно выдержанный в электромагнитном поле СВЧ до достижения температуры клея от 110 до 120°С, а собранный пьезоблок выдерживают в течение суток при комнатной температуре, а затем в течение суток при температуре 65°С. Техническим результатом изобретения является упрощение способа изготовления составного ЭАП при обеспечении его высоких эксплуатационных характеристик. 1 ил.

Способ изготовления составного электроакустического преобразователя, содержащего в качестве активных элементов соединенные путем склейки пьезокерамические элементы, включающий нанесение на торцевые поверхности пьезокерамических элементов эпоксидного клея марки ДМ-5-65, отверждающегося в процессе полимеризации, сборку пьезоблока путем последовательного соединения пьезокерамических элементов друг с другом их торцевыми поверхностями, при этом в процессе изготовления электроакустического преобразователя на клей воздействуют электромагнитным полем СВЧ, отличающийся тем, что наносят на склеиваемые поверхности эпоксидный клей марки ДМ-5-65, предварительно выдержанный в электромагнитном поле СВЧ до достижения температуры клея от 110 до 120°С, а собранный пьезоблок выдерживают в течение суток при комнатной температуре, а затем в течение суток при температуре 65°С.