Приемник градиента акустического давления Советский патент 1992 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к акустике и может быть использовано в приборах для измерения градиента звукового давления в воздушной и водной среде.

Известен гидроакустический приемник градиента давления, состоящий из полого пьезокерамического кольца с открытыми торцами и секционированными электродами. Вычитание сигналов с противоположных сегментов позволяет получить сигнал, пропорциональный градиенту давления, и сформировать дипольную характеристику направленности,

Однако эффективная работа такого приемника возможна только на частотах, лежащих ниже основной резонансной частоты в пределах приблизительно одной октавы.

Известен также гидроакустический приемник градиента давления, содержащий полый, закрытый с торцов крышками, пьезо- керамический цилиндр с электродами, нанесенными на внутренней и внешней поверхностях, причем электрод на внутренней поверхности разделен на четное количество секций.

В этом приемнике для получения сигнала пропорционального градиенту давления, также используется вычитание сигналов с противоположных секций цилиндра. Эффективная работа такого преобразователя возможна на частотах, близких к основной

СО

кэ ел о о

резонансной частоте и ниже, в пределах одной декады.

Наиболее близким к предлагаемому является акустический приемник, содержащий полый пьезокерамический цилиндр, электроды, нанесенные на внутреннюю и внешнюю поверхности пьезокерамическо- го цилиндра, крышки, закрывающие торцы пьезокерамического цилиндра, причем нанесенный на внутреннюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрод разделен на четное количество секций,

Недостатками известного устройства являются ограничение частотного диапазона со стороны низких частот из-за наличия паразитной чувствительности к давлению, связанной с разбросом свойств пьезокера- мики по цилиндру и неидентичностью элек- тродов, вследствие малой емкости преобразователя велики собственные шумы приемника и его нижняя граничная частота рабочего диапазона.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона.

Поставленная цель достигается тем. что в приемнике градиента акустического давления, содержащем полый пьезокерамический цилиндр, электроды, нанесенные на внутреннюю и внешнюю поверхности пьезокерамического цилиндра, крышки, закрывающие торцы пьезокерамического цилиндра, причем нанесенный на внутреннюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрод разделен на четное количество секций, одна из поверхностей каждой крышки выполнена скошенной и обращена к соответствующему торцу пьезокерамического цилиндра, между крышками и торцами пьезокерамического цилиндра расположены введенные прокладки, а крышки связаны одна с другой армирующим элементом, причем диаметрально противоположные секции нанесенного на внутреннюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрода соединены электрически параллельно, а соответствующие им части пьезокерамического цилиндра имеют поляризацию разного знака.

На фиг. 1 показан приемник градиента давления, общий вид; на фиг. 2 - секционирование электродов и их положение относи- тельно разнознаково поляризованных частей цилиндра; на фиг. 3 - первые моды колебаний цилиндра.

Приемник состоит из пьезокерамического цилиндра 1, двух массивных фланцев 2, стягивающего их винта 3. Для обеспечения герметизации и задания определенного поджима цилиндра между фланцами и торцами цилиндра располагаются прокладки 4.

Специальные отверстия в одном из фланцев для проводов, по которым передается электрический сигнал от электродов пьезокерамического цилиндра к электрической схеме,

на фиг. 1 не показаны.

На внутреннюю и внешнюю поверхности пьезокерамического цилиндра нанесены электроды. Наружный электрод 5 неразрезной, он электрически соединен с

фланцами 2. Внутренний электрод 6 разделен на две части (либо на 4 части, если при- емник предназначен для измерения градиента давления в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Части цилиндра

7 и 8, расположенные под притиволежащи- ми электродами, поляризованы разнознаково. Поверхности 9 фланцев, обращенные к торцам пьезокерамического цилиндра, выполнены линейно скошенными.

Скошенность поверхностей крышек, обращенных к торцам цилиндров, т.е. непараллельность плоскости поверхности крышки и плоскости торца цилиндра, приводит к тому, что поджим цилиндра в направлении, параллельном его оси, меняется по направляющей.

Приемник работает следующим образом.

Под действием акустической волны в

пьезокерамическом цилиндре.1, опертом торцами на фланцы 2, возникают колебания, соответствующие разным модам колебаний цилиндра-, однако наибольшую амплитуду имеют 0 и 1 моды (фиг. За, б).

Благодаря указанной разнознаковой поляризации цилиндра в идеальном преобразователе электрический сигнал, снимаемый с электродов, определяется 1 модой и пропорционален градиенту давления.

Однако, в силу всегда имеющей место некоторой неидентичности параметров частей цилиндра (чувствительности частей и площади нанесенных на него электродов), сигнал, пропорциональный 0 моде (т.е. давлению), также имеется на выходе приемника. Для улучшения качества приемника необходимо осуществить его настройку. Учитывая неидентичность электроакустических параметров частей пьезокерамического цилиндра, можно записать напряжение на выходе приемника следующим образом:

UBb,(Ei + E2)Zi/(Zi+Z2),

где EL Ј2 - напряжения холостого хода секций цилиндра;

ZL 2.1 - их импедансы. В случае равенства импедансов секций выходное напряжение

иВых (Е1 + Е2)/2.(1)

На основании выражений, связывающих напряжение на выходе пьезоцилиндра с его геометрическими параметрами и воздействующим на него звуковым давлением с учетом мод его колебаний, можно записать для идеального приемника

/UB

31

ЈЈо

-PoVsin0, (2)

где г- радиус пьезокерамического цилиндра;

J31 - пьезоэлектрический модуль;

Ј - диэлектрическая проницаемость пьезокерамики;

.

I

f - частота;

С - скорость звука в среде измерения. Для реального преобразователя, имеющего неодинаковую чувствительность секций Ур1 и ур2 и их импедансы Zi, 7.2 выходное напряжение определяется следующей зависимостью:

U

2 ур1 Z2 (Ei-E2) Zi+Z22

+ Fo / УРТ Z2 Ур2 Zi v

С2 V Zi + z2 Zi + z2/

Из выражения (3) следует, что выходной сигнал пропорционален градиенту давления в том случае, если

yPiZ2 yp2Zi.

При Ур1 Z2 5Јур2 Zi частотный диапазон приемника градиента давления уменьшается.

Поскольку чувствительность пьезокерамики зависит от статического поджима, возможно достижение равенства (4) путем дифференцирования статической нагрузки по направляющей цилиндра, что возможно вследствие скошенности поверхностей крышек. С помощью поворота крышек отно

сительно оси цилиндра подбирается необходимое соотношение чувствительностей секций цилиндра.

На практике контроль за настройкой

5 приемника осуществляется по виду амплитудно-частотной характеристики чувствительности (АЧХ).

Рабочим для приемников градиента акустического давления считается диапа10 зон, в котором АЧХ имеет наклон 20 дБ да декаду (6 дБ на октаву) У приемников, обладающих паразитной чувствительностью к давлению, АЧХ на низких частотах имеет горизонтальный участок. В этой частотной

15 области преобладает паразитная чувствительность к давлению.

При настройке приемника следует стремиться к расширению вниз диапазона частот, на которых сохраняется наклон АЧХ,

20 присущий приемникам градиента акустического давления,

Формула изобретения Приемник градиента акустического давления, содержащий полый пьезокерамиче25 ский цилиндр, электроды, нанесенные на внутреннюю и внешнюю поверхности пьезокерамического цилиндра крышки, закрывающие торцы пьезокерамического цилиндра, причем нанесенный на внутрен30 нюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрод разделен на четное количество секций, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона, одна из поверхностей каждой крышки

35 выполнена скошенной и обращена к соответствующему торцу пьезокерамического цилиндра, между крышками и торцами пье- зокерамическсго цилиндра расположены введенные прокладки, а крышки связаны

40 друг с другом армирующим элементом, причем диаметрально противоположные секции нанесенного на внутреннюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрода соединены электрически парал45 лельно, а соответствующие им части пьезокерамического цилиндра имеют поляризацию разного знака.

Изобретение относится к а кустике .«Цель изобретения - расширение частотного диапазона. Приемник градиента акустического давления содержит полый пьезокерамиче- ский цилиндр, электроды, нанесенные на внутреннюю и внешнюю поверхности пье- зокерамического цилиндра, связанные друг с другом армирующим элементом крышки, одна из поверхностей каждой из которой выполнена скошенной и обращена к соответствующему торцу пьезокерамического цилиндра. Между крышками и торцами пьезокерамического цилиндра расположены прокладки. Нанесенный на внутреннюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрод разделен на четное количество секций. Причем диаметрально противоположные секции данного электрода соединены электрически параллельно, а соответствующие им части пьезокерамического цилиндра имеют поляризацию разного знака. Зил. fe

«)

N

S)

Pur. 3