1
Изобретение относится к области технической акустики и может найти применение в ультразвуковых измерительных устройствах или в устройствах воздействия ультразвуком.
Известны электроакустические преобразователи изгибных колебаний, состоящие из биморфкых элементов, содержащих прямоугольные металлические и пьезокерамические пластины, Пьезокерамические пластины в таких преобразователях крепятся к металлической пластине, которая является в данном случае излучателем или приемником ультразвука.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является электроакустический преобразователь, работающий на изгибных колебаниях, состоящий из биморфных эле(ч1ентов, в которых два противоположных края металлических пластин биморфных элементов акустически жестко закреплены, например, с помощью брусков, а в центре каждой металлической пластины приклеена прямоугольная пьезоэлектрическая пластина. Благодаря тому,
что в этих преобразователях ширина металлической пластины мелщу закрепленными KpasiNin равпа 1,5 Я, 8 Пъезо9лектрич ч:кой пластины - 0,7 /{ ( длина изгибной волны в биморфном элементе на резонансной частоте преобразователя) получается высокая эффективность электроакустического преобразования. В преобразователе металлические пластины жестко соединены между собой под углом 2агссо; ,где Я длина акустической волны в рабочей среде на резонансной частоте преобразователя. Этим обеспечивается однолучевая диаграмма направленности.
Известный электроакустический преобразователь имеет недсютаточпый коэффициент электроакустической трансформации и паразитный резонанс на частоте, близкий к частоте основного резонанса продольных колебаний при ширине пьезоэлектрической пластины. При использовании таких преобразователей в эхо-локационных системах с импульным возбуждением излучающего преобразователя в пьезоэлектрическом преобразователе возникают колебания на нескольких резонансных частотах. Это ведетк потерям энергии, уменьшению чувствительности и искажению диаграммы направленности из-за излучения в рабочую среду ультразвуковых волн по направлениям, не совпадающим с5
направлением излучения на оснсеной резонансной частоте биморфного элемента.
Цель изобретения - улучшение элекТроаак стических характеристик преобразователя в импульсном режиме,
Зто достигаете я тем, что к центральной части металлической пластины прикреплены две прямоугольные пьезоэлектрические пластины противоположной поляризации, причем электри чески пьезоэлектрические пластины соединены |5 параллельно, ширина металлической пластины между закрепленными краями равна ширине каждой пьезоэлектрической пластины, равной 0,6 Я , где я.. - длина изгибной волны
/VV/
В биморфном элементе на резонансной часто- 20 те преобразователя.
На фиг. 1 изображен биморфный элемент пьезоэлектрического преобразователя; на фиг. 2 - распределение амплитуд смещений по поверхности биморфного элемента на ре- 25 зонансной частоте и направления к аксимального излучения.
Биморфный элемент содержит прямоугольную металлическую пластину 1, жестко закрепленную металлическими брусками 2. К ме-зо таллической пластине 1 прикреплены пьезокерамические пластины 3,4 противоположна поляризации. Элемент герметизирован корпусом 5, а электрическое переменное питающее напряжение подается через контакты 6. 35
Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.
В режиме излучения через контакты 6 на пьезоэлектрические пластины подается возбуждающее электрическое напряжение.40
Из-за геометрической асимметрии: данной колебательной системы и разных жестк.остей по обе стороны пьезоэлектрических пластинок противоположной поляризации 3,4 в биморфном элементе возбуждаются изгибные 45 колебания. Для хорошего возбуждения изгибных колебаний по ширине биморфного элемента его длина должна значительно превышать щирину. При э-том условии связь между изгибными колебаниями по ширине и длине эле- 50 мента является значительно ослабленной, и узловые линии изгкгбных колебаний по ширине распределяются параллельно большей тороне прямоугольной пластины. Резонансная частота определяется геометрическими 55 азмерами (в основном шириной) элемента. аспределение амплитуд колебаний по ширие элемента преобразователя на его резоансной частоте показано на фиг. 2,а. При аспределе:нии четырех полуволн изгибных60
колебаний по ширине элемента синфазные поверхности излучаемых ультразвуковых волн получаются наклоненными под углами оС , где оС агссоьЯо/Лн, длина ультразвуковой волны в рабочей среде на резонансной частоте преобразователя, и параллельными больщеГ стороне прямоугольника. Направления максимумов диаграммы направленности (фиг. 2,6) показаны осями OOj и ООп. Ширина лучей диаграммы на- . правленности в рассматриваемой плоскости определяется размерами В , В перпундикулярной плоскости ширина диаграммы направленности определяется длиной секции.
Резонансные колебания в системе возникнут при условии сопряжения форм колебаний пьезокерамических и металлической пластинк
Наилучшее возбуждение изгибных колебаний происходит при колебаниях пьезокерам ческих пластинок на второй резонансной частоте, соответствующей ширине одной пьезокерамической пластинки, равной 0,бЛл) и при колебаниях металлической пластинки на четвертой резонансной частоте, при которой ширина металлической пластины равна 2 /{ . При этом по ширине пьезокерамической пластинки распределяется три узла изгибных колебаний, а по ширине металлической пластинки укладывается пять узлов изгибных колебаний.
Однолучевая диаграмма направленности преобразователя получается при расположени нескольких биморфных элементов один к другому под углом 2о1гссо&Яд/я, При этом в раскрыве преобразователя формируется плоокая акустическая волна, а диаг рамма напра&ленности определяется геометрическими размерами раскрыва.
В режиме приема выдерживаются аналогичные фазовые соотношения и поэтому диаграмма направленности остается такой же, как и в режиме излучения.
В предложенном .преобразователе продольные колебания по ширине пьезокерамических 1пластинок отсутствуют, так как при подаче питающего напряжения одна пьезокерамическа пластина сужается, а другая растягивается, и поэтому суммарная ширина пьезоэлектрических пластинок остается постоянной. В элементе существует только резонанс изгибных колебаний. Этим исключаются потери энергии из-за паразитного резонанса и увеличивается коэффициент электроакустического преобразования в случае импульсного возбуждения пьезоэлектрического преобразователя. Использованием двух пьезопластинок противоположной поляризации в псезоэлектрическом преобразователе достигается больший коэффициент электроакус1ической трансформации.
Формула изобретения
1, Пьезоэлектрический преобразователь состоящий из биморфных элементов, содержащий прямоугольные пьезоэлектрические пластины и металлические пластины, края которых акустически жестко закреплены, например, с помощью брусков, отличающийся тем, что, с целью улучщения электроакустических характеристик преобразователя в импульсном режиме, в
центральной части каждой металлической пластины прикреплены две прямоугольные пьезоэлектрические пластины проти&онолоясгной поляризации, электрически соединенные параллельно.
2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что щирина металлической пластины между закреплейным краями равна 2 Д , а каждой пьезоэлектрической пластины 0,6 Ад, где Я - Длина изгибной волны в биморфном элемеврге на резонансной частоте преобразователя.
-Т
Т
. 1
ff
(7л
.2
