Пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1992 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относится к приборам для излучения и приема ультразвуковых колебаний и может найти применение в уровнемерах, расходомерах, работающих методом локации через газовую и жидкую среду, находящуюся под давлением.

Известен многослойный пьезоэлектрический пакетный преобразователь, содержащий пьезопластины, укрепленные между металлическими накладками и стянутые болтом, мембрану, которая по периметру соединена с фланцем в узловой точке преобразователя.

Известен пьезоэлектрический преобразователь для газовых сред, содержащий пакет пьезопластин. размещенный между

отражающей и излучающей накладками с кольцевой мембраной, фланец и амортизаторы.

Известные преобразователи не обеспечивают эффективного излучения из-за значительного различия акустических импедансов излучающих накладок и контролируемых сред. Известные преобразователиобладаютнедостаточнойпомехоустойчивостью из-за выполнения излучающих накладок металлическими, так как в твердом теле модуль сдвига не равен нулю и одновременно с продольными колебаниями существуют поперечные и изгибные колебания, влияющие на все компоненты напряжений, деформаций и ме41СО

О 00 (Л

ханических смещений и, как следствие, на параметры электрического сигнала. Кроме того, использование пьезокерамических колец в таких преобразователях приводит к недостаточному эффективному излучению ввиду малой активной площади пье- зоэлемента.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий соосно и последовательно расположенные излучающую накладку, пьезокерамические пластины с прокладкой между ними, отражающую накладку.

Недостатками преобразователя являются его низкие эксплуатационные характеристики из-за недостаточного эффективного излучения и низкой помехоустойчивости, так как использование дисковых пластин в такой конструкции приводит к снижению излучающей мощности из-за вызванных поперечных и из- гибных колебании.

Цель изобретения - повышение эффективности излучения и повышение помехоустойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем соосно и последовательно расположенные излучающую накладку, пьезокерамические пластины с прокладкой между ними, отражающую накладку, согласно изобретению отражающая и излучающая накладки, выполнены из композиционных материалов, акустические импедансы которых выбраны из условия

ZoTp/ZnanyM. 5:3,

где Zorp. - характеристический импеданс материала отражающей накладки;

2излуч. - характеристический импеданс материала излучающей накладки, отражающая накладка охватывает пьезокерамические пластины по боковым поверхностям и жестко связана с ними, а свободная поверхность излучающей накладки жестко связана с введенным диском, акустический импеданс которого меньше или равен акустическому импедансу излучающей накладки, а диаметр выбран из условия

Од 2Dn-H,

где Од, Dn-н - диаметры диска и пьезокерамических пластин соответственно.

На чертеже представлено сечение пьезоэлектрического преобразователя.

Пьезоэлектрический преобразователь содержит соосно расположенные пьезокерамические диски 1, прокладку 2, помещенную между электродами пьезоэлементов и

выполненную в виде тканой металлической сетки с ячейками, заполненными композиционным материалом, отражающую накладку 3, охватывающую боковую поверхность пьезоэлементов и выполненную за одно це0 лое с опорным буртиком 4, армированным металлической втулкой 5, излучающую накладку б, снабженную диском 7, электрические выводы 8, фланец 9, стопорную гайку 10, фиксирующую преобразователь по пе5. риметру,буртика 4 во фланце 9. Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При подаче рабочего импульса на пьезоэлементы 1 с частотой заполнения, соответствующей резонансной

0 частоте преобразователя, через излучающую накладку 6 и мембрану 7 ультразвуковые колебания идут в озвучиваемую среду. Несимметричность акустических импедан- сов накладок усиливает интенсивность ко5 лебаний на излучающей поверхности. Благодаря выполнению накладок из композиционных материалов в преобразователе полностью отсутствуют изгибные ко леба- ния, в достаточной мере снижен уровень

0 реверберационных помех, обусловленными радиальными колебаниями накладок (из-за значительного поглощения звука), композиционный материал, охватывающий всю боковую поверхность пьезоэлементов,

5 повышает помехоустойчивость преобразователя от внешних акустических полей. При малом отношении радиуса пьезопластины к . толщине (это требуется для локации через газовую среду) особенно велики радиаль0 ные колебания. В предложенном решении они в достаточной мере ослаблены. Благодаря значительному снижению уровня реверберационных помех в преобразователе можно использовать пьезоэлементы со значитель5 ной эффективной площадью пьезоэлемента для увеличения отдачи преобразователя.

Кроме того,полимерный диск, смонтированный (приклеенный или отлитый за одно целое) на излучающей поверхности накладки,

0 повышает чувствительность в 3,5 раза. v Прокладка, выполненная из тканой металлической сетки с ячейками, заполненными композитным материаломс акустическим им- . педансом, близким к акустическому импедан5 су пьезоэлемента, в достаточной мере снижает помехи, вызванные рециркуляцией эхо-сигналов на границе пьезоэлемент - прокладка, что в конечном итоге приводит к сни- жению общего уровня шумов в пьезоэлектрическом преобразователе.

Таким образом, пьезоэлектрический преобразователь обладает лучшими эксплуатационными характеристиками за счет увеличения помехоустойчивости и, как следствие, эффективностью преобразования.

Кроме того, прокладка в значительной мере повышает надежность преобразователя, так как существующие способы, обеспечивающие гальвано-акустическую связь пьезоэлеметов, не надежны (требуются большие усилия для обеспечения механо- акустической связи, что в свою очередь создает значительные механические напряжения в колебательном узле, приводящие к растрескиванию пьезоэлементов).

Предлагаемое устройство за счет герметизации колебательного узла может работать как в газообразных, так и в жидкостных средах.

Приводится один из вариантов конкрет- ного выполнения предлагаемого пьезоэлектрического преобразователя.

После соответствующей обработки поверхности тканой металлической сетки под склеивание на нее наносят соответствую- ицую композицию (жидкое стекло с наполнителем или эпоксидную смолу с наполнителем) и отверждают.

После отверждения из полученного промежуточного слоя вырезают прокладку с геометрическими размерами под выбран- ную-пьезокерамику, после чего ее помещают между электродами пьезоэлементов, на которые предварительно был нанесен тонкий слой композиционного клея.

После такой операции выступы (утки) тканой металлической сетки обеспечивают электрическую связь между собой электродов пьезоэлеметов, а композиционный материал, находящийся в ячейках сетки, обеспечивает механо-акустическую связь.

Для снижения уровня эхо-сигнала на границе прокладка-пьезоэлемент сетка выбрана латунной (акустические ммпедансы материалов латуни и пьезокерамики типа ЦТС-19 близки), а композиционный материал по акустическому импедансу подбирают близким по акустическому импедансу пьезокерамики (достигается варьированием процентного содержания наполнителя в связующем).

Полученный пакет с припаянными проводами (плюсовой проводник живой припаивают к сетке, а минусовой - к внешним электродам пьезоэлементов) помещают в специальную питьевую форму и поочередно отливают сначала отражающую накладку, затем излучающую.

В предложенном устройстве акустические импедансы отражающей и излучающей накладки соответственно равны:.

Zorp - 6,4 106 КГ/(М2 С)

2изл -2,0 106кг/(м2 -с)

Масса излучающей накладки для данного случая в 4 раза меньше массы отражающей накладки, т.е. коэффициент асимметрии обеспечивает достаточною однонаправленность и эффективность излучения.

Полное гашение паразитных колебаний в предлагаемом устройстве достигается путем выбора ингредиентов состава композитного материала. Для данного случая паразитные колебания снижены в достаточной мере по сравнению с известными устройствами. В полимерах затухание происходит интенсивней, чем в металлах и сплавах. Использование четверть-волновых накладок оказывает незначительное влияние на затухание продольных волн (рабочих) в композитном материале.

Кроме того, предлагаемое устройство предназначено для работы на низких частотах (45-200) кГц с большой длиной волны, поэтому на затухание продольных волн композитный материал оказывает слабое влияние.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий соосно и последовательно расположенные излучающую накладку, пьезо- керамические пластины с прокладкой между ними, отражающую накладку, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности излучения и повышения помехоустойчивости, отражающая и излучающая накладки выполнены из композиционных материалов, акустические импедансы которых выбраны из условия

Zorp /2изЛуЧ е 3,

где2отр -характеристический импеданс материала отражающей накладки;

2излуч - характеристический импеданс материала излучающей накладки, отражающая накладка охватывает пьезоке- рамические пластины по боковым поверхностям и жестко связана с ними, а свободная поверхность излучающей накладки жестко связана с введенным диском, акустический импеданс которого меньше или равен акустическому импедансу излучающей накладки, а диаметр выбран из условия

Qn Ј2Dn-a.

где Dn, Dn-a - диаметры диска и пьезокера- мических пластин соответственно.

Использование: в ультразвуковых уровнемерах и расходомерах. Сущность изобретения: излучающая и отражающая накладки выполнены из композиционных материалов, акустические импедансы которых выбраны из условия Zorp/ZusflyM. S3. где Zorp. - характеристический импеданс материала отражающей накладки, 2излуч. - характеристический импеданс материала излучающей накладки. Отражающая накладка охватывает пьезокерамические пластины, в частности, по боковым поверхностям и жестко связана с ними. Свободная поверхность излучающей накладки жестко связана с диском, акустический импеданс которого меньше или равен акустическому импедансу излучающей накладки, а диаметр выбран из условия Dn 2Dn-a, где Dn, Dn-a - диаметры диска и пьезокерамических пластин. 1 ил. IS