НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Советский патент 2009 года по МПК G01S7/52 B06B1/06 

Предлагаемое изобретение относится к области электроакустики и гидроакустики и может быть использовано в весьма низкочастотных излучателях.

Известен низкочастотный электроакустический преобразователь, содержащий приемно-излучающую пластину и пружину, выполненную из нескольких пьезоактивных пластин, слой пьезокерамики которых расположен по одну сторону от нейтральной плоскости при изгибе, и закрепленную одним концом к корпусу (основанию).

Недостатком этого преобразователя является сравнительно малая предельная излучаемая мощность, лимитируемая низкой динамической усталостной прочностью пьезокерамики - σ_{дин max}≲50 кг/см².

Целью предлагаемого изобретения является, во-первых, увеличение предельной излучаемой мощности путем создания в пьезокерамике пластин пружины предварительного сжатия, во-вторых, снижение рабочего электрического напряжения преобразователя. Первая цель достигается тем, что в преобразователе основная активная пружина из пьезоактивных пластин деформирована, например сжата, вдоль ее продольной оси дополнительной пружиной, скрепленной одним концом непосредственно или через промежуточную деталь, например приемно-излучающую пластину, с основной активной пружиной, а другим концом - с корпусом преобразователя и имеющей жесткость, непревышающую жесткость активной пружины.

Необходимое сжатие (или растяжение в зависимости от конструкции пружины, граничных условий закрепления пластин и места расположения пьезокерамики) активной пружины приводит к изгибу ее пластин и созданию в пьезокерамике их сжимающих напряжений σ_{cm max}=300-500 кг/см². Такие предварительные напряжения позволяют работать пьезокерамике без разрушения при числе циклов до 10⁷ при больших динамических напряжениях σ_{дин max}=200-400 кг/см² (исключив фазу растяжения в пьезокерамике). Увеличение допустимых динамических напряжений в пьезокерамике с 50 до 200÷400 кг/см² приводит к увеличению в 4-8 раз максимальной амплитуды колебаний приемно-излучающей пластины и соответственно в (16-64 раза) предельной излучаемой мощности.

Снижение рабочего электрического напряжения преобразователя при сохранении излучаемой мощности (в случае, если оно начинает лимитировать излучаемую мощность) за счет увеличения коэффициента электромеханической трансформации преобразователя достигается, если дополнительную пружину выполнить из активных, например, пьезокерамических пластин, аналогичных пластинам активной пружины. Поскольку дополнительная пружина тоже деформирована, то в пьезокерамике ее пластин созданы тоже сжимающие напряжения, обеспечивающие необходимую динамическую прочность. При синфазном (согласном) электрическом возбуждении обеих активных пружин электромеханическая (возбуждающая) сила увеличивается при прочих равных условиях примерно в 2 раза по сравнению со случаем, когда дополнительная пружина выполнена из пассивного материала, или для получения той же силы необходимо примерно в 2 раза меньшее электрическое напряжение.

На фиг.1 показана одна половина двухстороннего преобразователя, активная пружина которого сжата дополнительной пружиной, которая при этом тоже сжата. На фиг.2 - часть аналогичного преобразователя, с растянутой дополнительной пружиной. На фиг.3 и 4 показана часть преобразователя, обе пружины которого выполнены из пьезоактивных пластин, причем на фиг.3 показано его сечение по Б-Б, а на фиг.4 - разрез по А-А.

Ниже в качестве примеров описаны два варианта конструкции предлагаемого преобразователя. Предлагаемый преобразователь (фиг.1) состоит из основной активной пружины 1, присоединенной жестко одним торцом к корпусу 2, а другим - к приемно-излучающей пластине 3. Пружина 1 выполнена из восьми пьезоактивных прямоугольных пластин 4, пьезокерамика 5 которых расположена по одну сторону от нейтральной плоскости при их изгибе. Пружина 1 сжата вдоль ее продольной оси дополнительной пружиной 6, выполненной, например, из металлических пластин, работающих на колебаниях изгиба или в виде сильфона. Пружина 6, присоединенная одним концом к корпусу 2, другим концом через приемно-излучающую пластину, скреплена с пружиной 1. При этом обе пружины предварительно сжаты, например, через конец пружины 6, присоединенный к корпусу 2.

На фиг.2 изображен преобразователь, дополнительная пружина 6 которого предварительно растянута, то есть перед окончательной сборкой она имела меньшую длину, чем активная пружина 1. Растягивая пружину 6 за один из концов можно сжать пружину 1 до необходимой величины.

Как показано на фиг.3 и 4, дополнительная пружина 6 другого преобразователя выполнена из пьезоактивных пластин 4, слой пьезокерамики 5 которых расположен по другую сторону от нейтральной плоскости при изгибе по сравнению с основной активной пружиной. В этом примере конструкции дополнительная предварительно растянутая пружина 6 выполнена аналогично основной сжатой пружине 1, то есть из аналогичных пьезоактивных пластин, и размещена внутри последней 1. Жесткости обеих пружин выбраны одинаковыми. Поэтому в собранном виде наружная пружина 1 сжата, а внутренняя 6 растянута на одну и ту же величину ξ₀. Перед сборкой наружная пружина 1 была длиннее внутренней на величину 2ξ₀. При этом в пьезокерамике каждой пружины благодаря изгибу активных пластин созданы сжимающие напряжения σ_{ст max}=300-500 кг/см². 7 - герметичная механическая развязка.

Таким образом, в 3 преобразователях, изображенных на фиг.1, 2, 3 и 4, в отличие от прототипа пьезокерамика в динамическом режиме при σ_дин≤σ_ст всегда находится в фазе сжатия.

При этом распределение напряжений по объему пьезокерамики в статике и в динамике одно и то же. Это позволяет значительно увеличить деформацию пьезокерамики без ее разрушения.

В том случае, когда рабочее электрическое напряжение преобразователя не превышает допустимой величины, целесообразно дополнительную пружину 6 выполнить из легкого прочного материала, например АМГ-4, с жесткостью, меньшей, чем жесткость пружины 1, и с малым весом. В этом случае введение этой пружины 6 не приводит к существенному увеличению резонансных частот преобразователя и его веса.

Если же акустическая мощность лимитируется электрической прочностью пьезокерамики, то есть необходимое электрическое напряжение превышает допустимое, целесообразно дополнительную пружину 6 выполнить тоже активной, что позволит примерно в 2 раза снизить необходимое рабочее напряжение преобразователя. В этом случае обе пружины можно выполнить одинаковой жесткости и массы. При необходимости сохранить резонансную частоту и вес такими же, как у преобразователя-прототипа, то размеры пластин можно подобрать таким образом, чтобы эквивалентная масса и жесткость двух пружин предлагаемого преобразователя были такими же, как у одной пружины преобразователя-прототипа.

Таким образом, без заметного ухудшения всех других параметров преобразователя удается существенно (в 16-64 раз) увеличить его излучаемую им мощность. Испытание лабораторного макета предлагаемого преобразователя подтвердили вышеуказанные положения.

В настоящее время макет излучателя с дополнительной пружиной из пассивного материала разрабатывается на предприятии.

Низкочастотный электроакустический преобразователь содержит размещенный в корпусе активный элемент в виде пружины. Пружина выполнена из пьезоактивных пластин, работающих на колебаниях изгиба, и закрепленной одним концом на корпусе. Преобразователь снабжен дополнительной пружиной из пьезоактивных пластин, имеющей жесткость, не превышающую жесткость основной пружины, и соединенной одним концом с основной пружиной, а другим - с корпусом преобразователя. Технический результат - повышение предельно излучаемой мощности. 4 ил.

Низкочастотный электроакустический преобразователь, содержащий размещенный в корпусе активный элемент в виде пружины, выполненной из пьезоактивных пластин, работающих на колебаниях изгиба, и закрепленной одним концом на корпусе, отличающийся тем, что, с целью повышения предельно излучаемой мощности, он снабжен дополнительной пружиной из пьезоактивных пластин, имеющей жесткость, не превышающую жесткость основной пружины, и соединенной одним концом с основной пружиной, а другим - с корпусом преобразователя.