Устройство для измерения звукового давления в жидкости Советский патент 1978 года по МПК G01H3/10 G01L23/10 

1

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть использовано для измерения звукового давления в диапазоне от инфразвуковых до средних звуковых частот в океанологии, нрикладной гидроакустике, при изучении свойств водной среды и дна мирового океана.

Известно устройство для измерения звукового давления в жидкости, содержащее электродинамический компенсапионный нреобразователь, чувствительный элемент нуль-индикаторного измерительного нрибора, источник иитания и измерительный прибор. В таком устройстве электродинамический преобразователь представляет собой подвижную мембрану, жестко связанную с катушкой из провода, которая может перемещаться в зазоре постоянного магнита 1. Измеряемое давление, воздействуя на подвижную мембрапу, заставляет ее колебаться вокруг положения равновесия. При нропускании через катущку преобразователя подобранного по амплитуде и фазе переменного тока можно добиться нрекращения колебаний мембраны, находящейся под одновременным действием звукового давления и электродинамических сил. Прекращение колебаний мембраны отмечается чувствительным нуль-индикатором. В этот момент между измеряемым звуковым давлением Р и током компенсации /к существует соотношение , где величина М не зависит от частоты и может считаться постоянной для данного преобразователя.

Однако в таком устройстве наблюдается резкое падение чувствительности нуль-индикаторного измерительного прибора с ростом частоты, что делает практически невозможным нснользование подобной конструкции для измерения лавления на частотах выше 300-

500 Гц.

Наиболее близким но технической сущности к изобретению является устройство для измерения звукового давления в жидкости, содержащее компенсационный преобразователь в

виде замкнутой пьезоэлектрической оболочки с рабочими электродами, нанесенными в виде сплошного покрытия па обе ее поверхности, источник напряжения и нуль-индикаторный измерительный прибор с чувствительным элементом, выполненным в виде аналогичной оболочки меньщего диаметра, расположепной коаксиально с нервой, причем пространство между оболочками занолнено акустически жестким веществом (эпоксидным компаундом) 2.

В процессе нзмерений колебания оболочки преобразователя, вызываемые воздействием на нее измеряемого звукового давления Р, компенсируются п)тем подачи на эт же оболочку внешнего напряжения UK, подобранного по

амплитуде и фазе. В режиме компенсации (неподви 11остн) оболочки преобразователя, который индицируется по исчезновению электрического сигиала с чувствительного элемента нуль-индикаториого ирибора между измеряемым давлением Р и напряжением UK существует соотношение , где константа М не зависит от частоты и определяется только свойствами данного преобразователя; величина константы М для каждого данного преобразователя может быть получено экспериментально. Недостатком известного устройства является отсутствие достаточной метрологической точности иолучаемых результатов при колебаниях внешней температуры и сложиость его конструкции, связанная с наличием двух коаксиальных керамических оболочек, склеенных между собой. Цель изобретения - повышение точности измереиий в условиях колебаний темиературы и упрощение конструкции устройства. Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве замкнутая пьезокерамическая оболочка выполиеиа с тангенциальной поляризацией, рабочие электроды нанесены на одну из поверхностей оболочки в виде расположенных на равных угловых расстояниях продольных полос, поочередно соединенных соответственно с общим и сигнальным выходами источника напряжения, а чувствительный элемент нульиидикаторного измерительного прибора выполнен в виде аналогичных рабочих электродов, ианесенных на иротивоположную поверхность оболочки против рабочих электродов, причем электроды, расположеииые против подключенных к общему выходу источника нанряжения рабочих электродов соединены с сигнальным входом нуль-индикаториого измерительного прибора, а электроды, расположенные нротив подключенных к сигнальному выходу источника напряжения рабочих электродов, соединены с общим входом нуль-индикаторного измерительного прибора. На чертеже схематически показано предлагаемое зстройство. Устройство содержит замкнутую пьезокерамическую оболочку I с тангенциальной поляризацией, на виешнюю поверхность которой нанесены рабочие электроды 2,2 в виде продольных полос, расположенных на равных угловых расстояниях одна от другой и поочередно соединенных с общим и сигнальным выходами источника 3 компеисирующего напряжения. Чувствительный элемент нуль-индикаторного измерительного прибора выполнен в виде аналогичной по конструкции системы электродов 4,4 нанесенных на внутреннюю поверхность оболочки преобразователя и поочередно соединенных с общим и сигнальным входами нуль-индикаторного измерительного ирибора 5. При этом электроды 4, соединенные с сигнальным входом прибора 5, расположены против электродов 2, соединенных с общим выходом источника 3 нанряжения, а электроды 4 - против электродов 2. Устройство работает следующим образом. Звуковое давление Р, воздействуя на оболочку 1 компеисационного преобразователя сообщает ей радиальные колебания. Изменение радиуса оболочки в процессе колебаний вызывает изменеиие длины ее окружности. При этом благодаря тангенциальной поляризации материала оболочки на внутренней и внешней системах электродов появляется переменное электрическое напря кение с частотой, равной частоте акустического воздействия. Напряжение, снимаемое с внутренней системы электродов 4,4 подается на измерительный прибор 5 и используется для индикации колебаний оболочки. Для достижения режима компенсации на рабочие электроды 2,2, расноложенные на внешней поверхности нреобразователя, от источника 3 подается внешнее компенсирующее напряжение UK с частотой акустического воздействия. За счет явления обратного пьезоэффекта изменяется длина окружности тангенциально поляризованной оболочки, а следовательно ее радиус. Р1зменяя амплитуду и фазу напряжения UK, можно добиться такого режима, когда изменения радиуса оболочки, вызванные звуковым давлением Р с одной стороны, и пьезоэлектрическими силами с другой, становятся равными по величине и противоположными по направлению, т. е. оболочка перестает колебаться. Момент торможения (компенсации) колебаний оболочки характеризуется исчезновением напряжения иа внутренней системе электродов, что может индицироваться по равенству нулю показаний измерительного прибора. Благодаря тому, что оболочка компенсационного иреобразователя изготовлена из тангенциального поляризованного материала в иредлагаемой конструкции цоявилась возможность расположить рабочие электроды только на одной внешней новерхности преобразователя, выполнив их в виде ряда продольных полос. Оставшаяся свободной внутренняя поверхность преобразователя используется при этом для нанесения на нее системы электродов, являющихся чувствительным элементом нуль-индикаторного прибора. Совмещение в одной оболочке функций собственно компенсационного нреобразователя и нуль-индикатора его колебаний, т. е. устранение необходимости во второй керамической оболочке, акустически связанной с преобразователем, приводит к повышению точности измерений в условиях колебаний внешней температуры, упрощает конструкцию и технологню изготовления компенсационного преобразователя. Формула изобретения Устройство для измерения звукового давления в жидкости, содержа шее компенсационный преобразователь в виде замкнутой оболочки из иьезокерамнческого материала с рабочими электродами, источник напряжения и

нуль-индикаторный измерительный нриоор с чувствительным элементом, отличающеес я тем, что, с целью новышения точности измерений в условиях колебаний темнературы и унрощения конструкции, замкнутая пьезокера.мическая оболочка выполнена с тангенциальной ноляризацией, рабочие электроды нанесены на одну из новерхностей оболочки в виде расположенных на одинаковых угловых расстояниях продольных полос, ноочередно соединенных соответственно с общим и сигнальным выходами источника нанряжения, а чувствительный элемент нуль-индикаторного измерительного нрибора выполнен в виде электродов, аналогичных рабочим нанесенных на противоположную поверхность оболочки против рабочих электродов, причем электроды.

расноложенпые против подключенных к общему выходу источника напряжения рабочих электродов, соединены с сигнальным входом нуль-индикаторного измерительного прибора,

а электроды, расположенные против подключенных к сигнальному выходу источника напряжения рабочих электродов, соединены с общим входом нуль-индикаторного измерительного прибора.

Источники информации,

принятые во внимание нри экспертизе

1.Голенков А. Н. Градуировка, иифразвуковых гидрофонов методом электродинамической компенсации. Труды института Комитета

стандартов, вып. 61, 1962.

2.АвторскоесвидетельствоСССР ДСо 188865, кл. G 01Н 3/10, 1961.