Приемник градиента давления Советский патент 1989 года по МПК H04R17/00 

1

(21)4216430/24-10

(22)25.03.87

(46) 30.11.89. Бюл. № 44

(71)МГУ им. М.В. Ломоносова

(72)Б.И. Гончаренко, В.А. Гордиенко и И.Я. Наумов

(53)620.179.16 (088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 793663, ют. В 06 В 1/06, 1979,

Авторское свидетельство СССР W 466440, кл. В 06 В 1/06, 1973.

(54)ПРИЕМНИК ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ

(57)Изобретение относится к гидроакустике. Цель изобретения - расширение динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличения чувствительности и уменьшения теплового порога. Приемник градиента давления содержит инерционные массы 1, в которых двумя противоположными сторонами закреплен чувствительный элемент 2 в виде биморф- ной пьезокерамической пластины с электродами, причем внешние электроды 3 нанесены на ширину J от внутреннего края инерционных масс 1, определяемую из соотношения 4/1 0,13, где 1 - длина пластины на участке между инерционными массами. 1 ил.

Изобретение относится к гидроакустике. Цель изобретения - расширение динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличения чувствительности и уменьшения теплового порога. Приемник градиента давления содержит инерционные массы 1, в которых двумя противоположными сторонами закреплен чувствительный элемент 2 в виде биморфной пьезокерамической пластины с электродами, причем внешние электроды 3 нанесены на ширину Δ от внутреннего края инерционных масс 1, определяемую из соотношения Δ/L =0,13, где - L - длина пластины на участке между инерционными массами. 1 ил.

/

/

315

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано, в частности,для регистрации акустических сигналов.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличения чувствительности и уменьшения теплового порога приемника.

На чертеже показана конструкция приемника.

Приемник градиента давления содержит инерционные массы 1, в которых двумя противоположными сторонами закреплен чувствительный элемент 2 в виде биморфной пьезоэлектрической пластины с электродами, причем внешние электроды 3 нанесены на ширину и от внутреннего края инерционных масс 1, определяемую из соотношения 4/1 0,13, где 1 - длина пластины на участке между инерционными массами.

Для пластинки, закрепленной с двух концов, расстояние между которыми 1, и бесконечной в перпендикулярном направлении, краевая задача о колебаниях под действием равномерно распределенной силы Fe имеет вид

йЧ

StF

Eh

ч

Зх

+ Fe

PUlt ,

,., U.. . (i

где h - толщина пластинки; Е,6, f - модуль Юнга, коэффициент Пуассона и плотность материала из которого выполнена пластинка;(х)- смещение точки нейтральняй

поверхности.

Рассматривая решение задачи (1) и ограничиваясь диапазоном частот

,«( 12)- , для второй

i(x) получим

Eh

производной величины следующее выражением

a v; 1.F(1-6i) 1 Л Эх Eh 2 6

- 1х). (2)

- 55

Электрическое напряжение на кера мике пропорционально амплитуде относительной механической деформации, воз- никапщей в ее объеме

. ах

где Z - расстояние от нейтральной поверхности.

Поскольку зависимость (х) определена формулой (2), можно вычислить электрическое напряжение U, возникающее на выходе рассматриваемой системы

К Г & J Jx

dx

(3)

Константа К зависит от величин F, h, от упругих и пьезоэлектрических констант керамики, а также от электрического соединения электродов, расположенных на биморфной пьезо- пластинке и не зависит от ширины электродов и,

Тепловой порог Р определяется

уровнем собственных шумов приемника градиента давления и его чувствительностью при соотношении шум - сигнал равная 1.

Тепловые ыумы рассматриваемой электромеханичрской модели обусловлены диэлектрическими и механическими потерями в керамике. Расчет показывает, что для обычно используемых составов пьезокерамики влиянием механических потерь можно пренебречь. Тогда спектральная плотность тепловых флюктуации электрического напряжения на приемнике градиента давления выражается формулой Найквиста:

40

ui к,т j.

(4)

где Kg - константа Больцмана;

Т - TeMnepaTVpa;

tg с/ - тангенс угла диэлектрических nofepb пьезокерамики; С - электрическая емкость приемника градиента давления. Учитывая тот факт, что величина С прямо пропорциональна ширине электродов 4, а также формулы (2), (3) и (4), получают следующую зависимость порогового уровня от отношения &/ :

р;-л (| + |t - |t), t |. (5)

Анализируя соотношение (5), находят, что независимо от состава пье5152594

зокерамнки тепловой порог имеет минимум, определяемый значением

0.13

Как следует из формул (2) и (3), электрическое напряжение, возникающее на вькоде рассматриваемого ПГД, зависите от отношения Л/6. При величне ,18 электрическое напряжение и уменьшается, при уменьшении U/E оно несколько возрастает. Однако величина теплового порога при &/Р О, 13 возрастает и, как следует из полученного выражения (5), имеет наименьшее значение при д/6 0,13.

Анализ формул (2) и (3) показал, что электрическое напряжение U, воз- никакмцее на выходе рассматриваемого ПГД, по крайней мере на порядок выше электрического напряжения, возникающего на выходе ПГД, имеющего сплошные внешние электроды в предела ограничений, которые быпи положены при выходе этих формул.

Таким обрахом, выбирая ширину электрода из соотношения (6), получим повьшение чувствительности приемника градиента давления и понижение его теплового порога в пределах линейного участка амплитудно-частотной характеристики.

Соединение электродов между собой может быть осуществлено в приемнике

52594

х

10

15

20

25

30

35

56

так, чтобы электрические напряжения, возникающие на каждой из пар электродов, складывались в фазе. Это может быть достигнуто, например, путем пост ледовательного включения каждой пос- ледовательно включенной пары электродов, поскольку биморфный элемент с образован двумя пьезопластинами, соединенными между собой противоположными обкладками. Такое электрическое соединение электродов дополнительно повышает чувствительность приемника градиента давления в исследуемом диапазоне частот.

Формула изобретения

Приемник градиента давления, содержащий инер11;ионные массы и чувствительный элемент в виде биморфной пьезоэлектрической пластины с электродами, причем пластина закреплена двумя противоположными сторонами в инерционных массах, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличения чувствительности и уменьшения теплового порога, внешние электроды нанесены на ширину Л от внутреннего края инерционных масс, определяемую из соотношения 4/1 0,13, где 1 - длина пластины на участке между инерционными массами.