ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, РАБОТАЮЩИЙ НА КОЛЕБАНИЯХ ИЗГИБА Советский патент 2008 года по МПК G01S7/52 B06B1/06 

В настоящее время в гидроакустике используются цилиндрические преобразователи, работающие на колебаниях изгиба.

Принцип действия этих преобразователей описан в авторском свидетельстве № 1840660, и состоит в следующем.

Из двух концентрических пьезоэлектрических колец (фиг.1) (случай использования поперечного пьезоэффекта) или из пьезокерамических призм специальной конструкции (фиг.2) (продольный пьезоэффект) склеивается кольцо.

При соответствующем нанесении электродов на поверхности составляющих колец или призм и включении этих электродов в указанных на фиг. 1, 2 полярностях в каждом сечении кольца возникает изгибающий момент, причем знак момента меняется при переходе от четверти к четверти кольца. При подаче переменного напряжения на электроды преобразователя механическая система совершает колебания изгиба в плоскости кольца. При этом радиальная составляющая амплитуда колебаний меняется по закону ω=ω_o·cos2ϕ, где ϕ - полярная координата сечения кольца, а ω_o - максимальная амплитуда смещения в радиальном направлении. Имеется четыре сечения, соответствующих значениям ϕ=45°, 135°, 225°, 315°, радиальное смещение которых равно нулю.

Предлагается изменение конструкции преобразователя, смысл которого состоит в следующем.

В участках пьезокерамики, расположенных вблизи сечений, радиальная скорость колебания которых равна нулю, электромеханическое преобразование при колебаниях изгиба мало по сравнению с участками, расположенными в окрестности сечений с максимальной радиальной скоростью. Вместе с тем электрические потери в пьезокерамике в режиме излучения, а также заряд емкости в режиме приема происходит равномерно на всех участках кольца. В итоге может оказаться целесообразным отключить неэффективно работающие участки пьезокерамики или заменить керамику на этих участках каким-либо пассивным материалом, например, металлом. В последнем случае при использовании материала с большой механической добротностью происходит уменьшение механических потерь в преобразователе, что приводит к росту акустико-механического коэффициента полезного действия, существенному для преобразователей этого типа.

На фиг.3 в относительных единицах приведены зависимости величины удельной чувствительности преобразователя, а также напряжения, которое необходимо подвести к преобразователю для получения одной и той же амплитуды колебаний, от размера отключенного или замененного на пассивный материал сектора кольца. Предполагается, что по механическим свойствам пассивный материал не сильно отличается от керамики.

Как видно из фиг.3, отключение сектора в пределах до 45° приводит к некоторому росту удельной чувствительности преобразователя. Такое отключение сопровождается ростом механико-электрического, а в случае замены керамики на высокодобротный материал (например, дюралюминий) - и акустико-механического коэффициентов полезного действия.

Некоторый рост рабочего напряжения на преобразователе является несущественным, тем более что из-за малой величины сопротивления излучения преобразователи этого типа работают при относительно низких напряжениях.

Зависимости, приведенные на фиг.3, при использовании пассивных керамических и дюралюминиевых вставок подтверждаются экспериментально (по результатам косвенных измерений в воздухе). При использовании четырех вставок из дюралюминия с угловым размером 40° наблюдалось повышение резонансной частоты мех. системы на 4%. (Материал преобразователя - пьезоэлектрическая керамика титаната бария. Средний радиус кольца 6,3 см, толщина кольца 3 см.)

Очевидна экономическая целесообразность применения пассивных в пьезоэлектрическом отношении вставок в цилиндрическом преобразователе, работающем на колебаниях изгиба. При улучшении качества преобразователя достигается существенная экономия пьезоэлектрического материала или появляется возможность использования бракованной по электрическим параметрам керамики.

Наличие пассивных вставок дает возможность улучшить конструкцию преобразователя за счет использования областей, находящихся вблизи узловых линий, для крепления колец.

Область применения преобразователей, отличающихся наличием пассивных вставок, та же, что и ранее предложенных цилиндрических преобразователей, работающих на колебаниях изгиба.

Пьезоэлектрический цилиндрический преобразователь по авт. св. № 1840660, в котором участки, расположенные в области сечения вдоль образующих цилиндра, радиальная скорость колебания которых равна нулю, выполнены из пассивного (в пьезоэлектрическом отношении) материала (например, металла), близкого по своим механическим свойствам к активному материалу. Технический результат - повышение акустико-механического коэффициента полезного действия преобразователя без изменения его удельной чувствительности. 3 ил.

Пьезоэлектрический цилиндрический преобразователь по авт. св. № 1840660, отличающийся тем, что, с целью повышения акустико-механического коэффициента полезного действия преобразователя без изменения его удельной чувствительности, в нем участки, расположенные в области сечения вдоль образующих цилиндра, радиальная скорость колебания которых равна нулю, выполнены из пассивного (в пьезоэлектрическом отношении) материала (например, металла), близкого по своим механическим свойствам к активному материалу.