ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ВИБРОПРИЕМНИК Советский патент 2009 года по МПК G01S7/52 

При измерении уровней вибрации поверхностей, колеблющихся в водной среде, возникают некоторые специфические требования к виброприемнику. Рассмотрим эти требования.

Пусть w - действующее значение нормальной составляющей ускорения вибрации в месте установки виброприемника. Чувствительность виброприемника к вибрации

Виброприемник обладает некоторой чувствительностью к воздействующему на него звуковому полю (звуковое давление P)

(U_вw и U_вp - напряжения, возникающие на выходе виброприемника под действием вибрации и звукового поля).

Полное напряжение на выходе виброприемника

Для оценки того, насколько точно виброприемник измеряет вибрацию при наличии звукового поля, введем параметр

Соотношение (1) перепишем в виде

Очевидно, результат измерения вибрации зависит от величины D, а также от соотношения Идеальными следует считать такие виброприемники, у которых параметр D бесконечно велик. Реально качество виброприемника следует оценивать в зависимости от величины отношения Если считать допустимым десятипроцентное искажение результата измерений вибрации, то есть считать U_в≃1±0,1)·U_вw, то требование к параметру виброприемника, характеризующему его помехоустойчивость в звуковом поле ("полеустойчивость"), можно сформулировать в виде соотношения

Интересно установить порядок величин отношения и параметра D.

Рассмотрим в качестве примера вибрацию и звуковое поле, создаваемое бесконечной плоскостью, совершающей поршневые колебания. Очевидно, соотношением P=ρc·v (v - скорость колебаний поверхности), т.е.

Следовательно,

Таким образом, видим, что с точки зрения "полезащищенности" к виброприемникам, используемым в воде и в воздухе, предъявляются существенно различные требования. Виброприемник, обладавший достаточной "полеустойчивостью" в воздухе, может оказаться совершенно непригодным для измерений в воде. Следует отметить, что проектирование виброприемников для измерений в воде часто идет по пути придания герметичности конструкциям, применяемым в воздухе. В частности, широкое распространение получили виброприемники, принципиально не отличающиеся от виброприемника фирмы "Брюэль и Къяр", который имеет вид стрежневого пьезокерамического элемента, нагруженного пассивной массой и заключенного в корпус. Акустическое давление, воздействуя на корпус виброприемника, вызывает его деформацию. Деформации растяжения-сжатия основания корпуса передаются приклеенному к нему пьезокерамическому элементу и вызывают появление напряжения помехи на его выходе. Экспериментально установлено, что параметр D виброприемников такого типа имеет величину 10÷40. Для измерений в воде эта величина недостаточна.

В настоящей заявке предлагается приемник вибраций, обладающий малой величиной чувствительности к звуковому давлению.

На фиг.1, 2 показаны два варианта конструктивного выполнения виброприемников, обладающих повышенной "полеустойчивостью". Причем оба варианта могут быть распространены как на стержневые виброприемники, работающие на продольных колебаниях (фиг.1), так и на пластинчатые, работающие на колебаниях изгиба (фиг.2).

В обоих вариантах конструкции активный элемент состоит из двух идентичных в механическом отношении частей (1), расположенных симметрично по обе стороны металлической вставки (2) и включенных электрически навстречу друг другу. Крепление активного элемента внутри герметичного корпуса (3) произведено за металлическую вставку с помощью жесткого стакана (в варианте а) или стержня (в варианте б) (4) к основанию корпуса в месте, которым корпус виброприемника крепится к исследуемому объекту.

Под действием звукового давления корпус виброприемника деформируется и деформации его передаются активному элементу через центральную металлическую вставку. Деформации, происходящие в поперечном направлении в плоскости вставки, вызывают в идентичных половинах одинаковые напряжения, которые взаимно компенсируются из-за включения половин.

Что касается продольной составляющей деформаций корпуса, то в силу предлагаемого способа крепления активного элемента к основанию корпуса виброприемника она отсутствует. Крепление активного элемента к другим участкам корпуса приводит к появлению продольной составляющей его колебаний, вызываемой действием звукового давления на поверхность корпуса, и, соответственно, к снижению "полеустойчивости".

Следует отметить, что выполнение активного элемента виброприемника в виде симметричной конструкции известно и применялось с целью уменьшения чувствительности виброприемников к неизмеряемой (поперечной) составляющей вибрации. Отличительная особенность предлагаемого виброприемника состоит в указанном способе крепления его активного элемента внутри корпуса.

Виброприемники предложенного типа могут быть использованы в широком диапазоне частот от низких (порядка единиц и сотен герц) - пластинчатые виброприемники (фиг.2), до высоких (порядка десятков кГц) - стержневые (фиг.1).

Экспериментальное исследование макетов показало, что применение описанных в заявке принципов конструирования позволяет получить "полеустойчивость" D≈3·10³, что достаточно практически во всех реальных случаях.

Изобретение относится к области гидроакустической измерительной техники. Техническим результатом является уменьшение чувствительности виброприемника к звуковому полю, который достигается за счет того, что в устройстве, содержащем активный элемент, выполненный в виде двух симметричных частей, включенных встречно и расположенных по обе стороны от металлической вставки, за которую он закреплен внутри корпуса, активный элемент закреплен с помощью жесткого стакана на основании герметичного корпуса в месте крепления корпуса виброприемника к измеряемому объекту. 2 ил.

Пьезокерамический виброприемник, содержащий активный элемент, выполненный в виде двух симметричных включенных встречно частей, расположенных по обе стороны от металлической вставки, за которую он закреплен внутри корпуса, отличающийся тем, что, с целью уменьшения чувствительности виброприемника к звуковому полю, в нем активный элемент укреплен с помощью, например, жесткого стакана, на основании герметичного корпуса в месте крепления корпуса виброприемника к измеряемому объекту.