Электроакустический преобразователь Советский патент 1993 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относится к электроакустике и может быть использовано в качестве источника механических колебаний для жидких, твердых и газообразных сред в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот.

Целью изобретения является увеличение мощности, отдаваемой во внешнюю механическую нагрузку, при одновременном снижении в преобразователе собственных энергетических потерь.

На фиг.1 схематически показан предложенный электроакустический преобразователь с упругим элементом, выполненным в виде слоев упругого материала, и излучающей накладкой, выполненной в виде жесткого поршня, а также поперечное сечение акустического резонатора в плоскости размещения пьезоэлемента.

На фиг.2 показан вариант выполнения излучающей накладки в виде неподвижно закрепленной по внешнему контуру деформируемой мембраны и упругого элемента в виде изогнутых плоских пружин.

На фиг.З показан вариант выполнения излучающей накладки в виде наконечника ультразвукового инструмента.

На фиг.4 показаны направления смещений стенки резонатора, моменты сил и равнодействующая сила, действующие на акустический резонатор.

Устройство (фиг.1) содержит акустический резонатор 1 с полостью 2, расположенной в узловой области механических смещений резонатора, и закрепленный в этой полости пьезоэлемент 3. Акустический контакт между резонатором 1 и пьезоэле- ментом 3 осуществляется по сопряженным поверхностям выступов 4 полости 2 за счет натяга. Натяг обеспечивается выбором размеров полости, выступов, пьезоэлемента и статической деформации контактирующих элементов. Резонатор 1 выполнен криволинейным вдоль своей продольной оси Стен

00

о ю

XI

со со

СО

ка 5 резонатора 1 имеет продольные разрезы 6, Такая форма выполнения резонатора позволяет, с одной стороны, более равномерно и механически сильнее нагрузить пьезоэлемент, что приводит к увеличению коэффициента связи между пьезоэлемен- том и резонатором, с другой стороны, с помощью продольных разрезов устраняются тангенциальные механические напряжения в стенке резонатора, что приводит к увеличению изгибающих моментов, действующих на отдельную полоску стенки резонатора. Крепежный элемент 7, расположенный в узловой области механических смещений резонатора 1, позволяет осуществлять его подвижное крепление в системе подвески 8 без существенного снижения механической добротности резонатора 1. Система подвески 8 резонатора 1 обеспечивает возможность возвратно-поступательного движения резонатора 1 вдоль своей продольной оси. Крепежный элемент 7 жестко соединен с излучающей.накладкой 9. Между системой подвески 8 и подвижными относительно нее резонатором 1 и излучающей накладкой 9 размещен упругий элемент 10, Электрическое напряжение к пьезоэлементу 3 подводится через провода электропитания 11,

Акустический резонатор 1 может быть выполнен из любого твердого материала с малым поглощением звука (металл, стекло, керамика) и иметь колоколообразную, рупо- рообразную или U-образную форму,

Поперечное сечение полости 2 может быть круглым, квадратным или прямоугольным. Пьезоэлемент 3 может быть выполнен из любого пьезоактивного материала, например, пьезокерамического или монокристаллического, в виде одной пластины или пакета пластин круглой, квадратной или прямоугольной формы. Причем резонатор, полость и пьезоэлемент должны быть выполнены симметричными относительно плоскости продольного осевого сечения резонатора во избежание возникновения в резонаторе паразитных мод колебаний и снижения его акустической добротности,

Крепежный элемент 7 может быть выполнен в виде сплошного или полого стержня прямоугольного, круглого или любого другого сечения,

Система подвески 8 может быть выпол- нена в виде отрезка трубки, охватывающей с зазором крепежный элемент 1 или в виде нескольких направляющих, контактирую- . щих с крепежным элементом 7 через шариковые или роликовые подшипники.

Для излучения акустических волн в жидкую или газообразную среды излучающая накладка 9 может быть выполнена в виде

жесткого поршня (фиг,1) или в виде неподвижно закрепленной по внешнему контуру деформируемой мембраны (фиг.2). Для введения механических колебаний в твердое

тело или жидкость с целью ультразвуковой обработки материалов и деталей, а также для медицинских и технологических применений ультразвука, излучающая накладка может быть выполнена в виде наконечника

ультразвукового инструмента (фиг.З), например, резца или активатора.

Упругий элемент 10 может быть выполнен в виде слоев упругого материала (фиг. 1, фиг.З) с малыми акустическими потерями,

например, каучука, или в виде изогнутой плоской (фиг.2), витой, тарельчатой пружин. Устройство работает следующим образом (см. фиг.1). Пьезоэлемент 3, установленный в полости 2 акустического резонатора 1

при подаче на него переменного, электрического напряжения совершает механические колебания, которые через акустический контакт с выступами 4, обеспеченный натягом, передаются в акустический резонатор 1.

При совпадении частоты возбуждающего электрического напряжения с собственной резонансной частотой акустического резонатора 1 в нём за счет большой акустической добротности возбуждаются изгибные

колебания разрезных стенок 5, Причем все полоски стенки 5 колеблются синфазно, В результате синфазных колебаний разрезных стенок 5 возникает направленная вдоль продольной оси резонатора 1 равнодействующая сила F

F

Мп

где М - изгибающий момент, действующий на каждую полоску стенки;

п - число полосок стенки резонатора; I - расстояние от продольной оси резо- натора.до стенки.

Для направлений смещений стенки резонатора f соответственные моменты сил М и равнодействующая сила F показаны на фиг,4. Сила F является возбуждающей для колебаний резонатора 1 вдоль своей продольной оси, Эту вторую колебательную систему образуют массы акустического резонатора, крепежного элемента и излучающей накладки, а также присоединенная масса и жесткость внешней механической нагрузки совместно с жесткостью упругого элемента. При равенстве резонансных частот изгиб- ных колебаний резонатора и колебаний системы вдоль продольной оси резонатора амплитуда смещений излучающей нас падки

достигает максимальной величины, а амплитуда изгибных колебаний резонатора из- за связи колебательных систем снижается, Мощность колебаний, отдаваемая преобразователем во внешнюю механическую на- грузку, при этом увеличивается, а собственные энергетические потери в преобразователе снижаются.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 1. Электроакустический преобразователь, содержащий акустический резонатор с полостью и крепежным элементом, расположенными в области узла механических смещений акустического резонатора-, и пье- зоэлемент, закрепленный с натягом в полости акустического резонатора, отличающийся тем, что, в него дополнительно введены система подвески акустического резонатора, упругий элемент и излучающая накладка, а акустический резонатор выполнен криволинейным вдоль своей продольной оси и его стенка имеет .продольные

В / / /у

7

разрезы, причем крепежный элемент аку стического резонатора жестко соединен с излучающей накладкой и подвижно закреплен в системе подвески акустического резо- натора с возможностью механических смещений вдоль продольной оси акустического резонатора, а упругий элемент размещен между системой подвески акустического резонатора и подвижными относительно нее акустическим резонатором и излучающей накладкой,

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что излучающая накладка выполнена в виде жесткого поршня.

3. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что излучающая накладка выполнена в виде неподвижно . закрепленной по внешнему контуру деформируемой мембраны.

4. Преобразователь по п. 1, о т л и ч a rout и и с я тем, что в качестве излучающей накладки использован наконечник ультразвукового инструмента.

„,

А-А

Использование: в качестве источника механических колебаний для жидких, твердых и газообразных сред в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот. Сущность изобретения: преобразователь содержит акустический резонатор с полостью и крепежным элементом, систему подвески акустического резонатора, упругий элемент пьезоэлемент и излучающую накладку. Акустический резонатор выполнен криволинейным вдоль своей продольной оси и с продольными разрезами, в стенках крепежный элемент жестко соединен с излучающей механических смещений вдоль продольной оси резонатора, а упругий элемент размещен между системой подвески и подвижными относительно нее резонатором и излучающей накладкой. 3 з.п. ф-лы. 4 ил.