Акустический преобразователь Советский патент 1980 года по МПК B06B1/06 

1

Изобретение относится к контролю свойств и состояния жидких и твердых сред.

Известны акустические преобразо- j ватели для неразрушающего контрсшя и гидроакустических антенн типа продольный вибратор Ланжевена, содержащие переднюю и заднюю накладки, между которыми размещен пьезоэлемент 1 «ю

Наиболее близким к изобретению по техничесокй сущности является акустический преобразователь, содержащий пакет пьезокерамических шайб, переднюю и заднюю накладки с отверстиями под стягивающий болт с гайкой. Сжатие пьезоэлемента повышает надежность работы преобразователя в режиме излучения 2 .

Однако указанные преобразователи Q овладают малой чувствительностью и направленностью.

Действительно, излучение и прием в них осуществляется только передней 25 накладкой, при этом используются только -продольные «омпоненты сил, развиваеь х пьезоэлементом, а попед)ечные компоненты не используются, так как наружные и внутренние стенки пьезоэлемента находятся в воздухе и .акустически почти не нагружены. Это приводит к уменьшению чувствительности в режимах излучения и приема за счет уменьшения акустического импеданса в 2-3 раза.

Цель изобретения - увеличение чувствительности и направленности пр ео бр аз ов ат еля,

Поставленная цель достигается тем, ято отверстие в передней накладке выполнено конусообразным, его меньший диаметр обращен к пакету пьезокерамических шайб -и составляет 0,30,9 их внутреннего диаметра, головкь и часть болта, проходящая, через пакет пьезокерамических шайб, выполнены плоскими, имеющими в.поперченом сечении форму прямоугсшьника с толщиной, меньшей диаметра болта, причем внутренний объем преобразователя заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению среды,, на которую нагружен преобразователь. Толщина плоских частей болта - 0,2-0,4 от его диаметра,, .. .

На фиг, 1 схематически представлен преобразователье на фиг, 2- эпюры расгфеделения колебательных скоростей в полуволны сжатия в прся-южуточной среде (кривая 2), в преобразователе (кривая 1) и их сумма .(кривая 3). Преобразователь содержит переднюю накладку 1, выполненную из алюминиевого или титанового сплава, за,цнюю накладку 2, пьеэоэлемент 3, размещен ный между накладками и сжатый при по мощи болта 4 и гайки 5. Диаметр наруж части накладки 1 не превышает дли ны полуволны в среде, а малый диаметр переходит в хвостовик с помощью которого осуществляется крепление прео6р зователя к опорной плите (не показан Головга б и стержневая часть 7 стягивающего болта 4, находящиеся в перед ней накладке 1 в пространстве ,8 до задней накладки 2 соответственно г выполнены плоскими, толщиной 0,2-0,4 диаметра болта, исходя изнс..обходимос ти достижения минимальных потерь коле бательной скорости в промежуточной среде 8 и обеспечения достаточной про ности на разрыв стягивающего болта, 8накладке 1 выполнено конусообразное отверстие 9, Край накладки по большому диаметру выполнен острым, как у кольцевого концентратора, Пространство 8 внутри пьезоэлемтента 3 заполнено промежуточной средой типа резины (полиуретан, силиконовая резина, эпок сидный комлаунд)f имеющей скорость распространения звука, равную или близкую к скорости распространениязвука в рабочей среде, например вод для антенн гидролокаторов, Отверстие 9 может быть заполнено той же средой или же внешней средой За счет выполнения головки болта 4 плоской полость 8 и ПОЛОСТЬ отверстия 9связаны между собой через отверсти имеющие форму сегментов. Малый диаметр сквозного отверстия в передней накладке выбирается равным 0,3-0,9 от диаметра отверстия пьезоэлемента исходя из необходимоети получения малых гидравлических потерь при перетекании промежуточной среды 8 в полость 9 и обратно, а также для достижения возникновения объем ного резонанса в резонаторе Гельмгольца. Акустический преобразователь работает следующим образом, В режиме излучения на зажимл пьезоэлемента подается возбуждающее напряжение U от генератора (не показан) вызывающее деформации пьезоэлемента. Пьезоэлемент 3 может быть поляри зован по высоте или по толщине, В последнем случае дйа етрпреобразователя растет, но затовысота его может быть выполнена несколько меньшей. При условии, что Пьезоэлемент имеет продольную поляризацию и полярность возбуждающего напряжения такова, что он увеличивает свою длину, в соответствии с эффектом Пуассона стенки его уменыиают свою толщину, |а накладки 1 и 2 уд&ляются друг от друга. Объем полости 8 при этом возрастает и в промежуточной среде возникает волна разряжения распространяющаяся через сегментообразное отверстие в накладке 1 из полости 8 в полость отверстия 9, Накладка 1 является четвертьволно,вой и скорость распространения звука в ней.примерно в 2 раза больше, чем в промежуточной или наружной среде (фиг, 2, кривые 1 и 2), Величина колебательной скорости промежуточнойсреда rtc ° высоте пьезоэлемента постоянна и возрастает скачком при выходе в полость отверстия 9 пропорционально отнсшению площадей отверстий пьезоэлемента и наи(ладки 1 e-lal5aL.p ncrS 2(Db-ad) ) где Bj - площадь отверстия в пьезоэлементе;В,, - площадь поперечного сечения стержневой части стягивающего болта 4; В(,о - площадь сегментообразного отверстия в накладке 1; D - диаметр отверстия в пьезоэлементе;D - диаметр малого отверстия в конусе 9; а - длина хорды сегмента; d - толщина головной и стержневой частей б и 7 стягийающего болта 4f в - длина дуги сегмента, При следующем попупериоде возбуждающего напряжения продольный размер пьезоэлемента уменьшается, а тогпданаего стенки увеличивается в соответст ВИИ с эффектом Пуассона, При этом объем полости 8 уменьшается и промежуточная среда, будучи сжатой, приобретает колебательную скорость с обратным знаком, распространякадуюся в : сторону отверстия 9, Накладка 1. находится в фазе разряжения. Так как скорость распространения звука в. последней примерно в два раза выше , чем в среде, наполняющей отверстие 9, то на выходе преобразователя происходит сложение sSim разряжения, распространяющихся в накладке и в среде отвэрстия 9, Волна в последней была образована в предаестнующий полупериод (фиг. 2, кривая 3). Таким образом, в образовании суглларпого колебания участвуют накладки 1 и 2 и поперечйые смещения внхтренних стенок, пьезоэлемента 3 Полость 8 и сегментообраэные отверстия в накладке 1 образуют резонатрр Гельмгольца, усиливающий колебания промежуточной среды, передающиеся наружной среде. Частоту, на которую настроен этот резонатор, вычисляют по формуле F-§-/, сг) (b-c.)-§(T5-d) ( где с - скорость распространения звука в промежуточной среде R радиус эквивалентного отвер стия, равного по площади дв сегментообразным i отверстиям в накладке 1.. V - объем полости 8. . Взаимосвязь между величинами R, V, DJ, а, Ь, d выглядит следующим образом. .( -ad), (.) где Н - высота пьезоэлемента, It 3,14. Из формул (2), (3) и (4) следует, что:дпя ТОГО, чтобы настроить резона тор на резонансную частоту преобразо вателя, необходимо варьировать величи нами D, D, d и Н, Для возбуждения самой низкочастотной модзь колебаний в резонаторе, являющимися самой мощной, необходамо, чтобы в среде полос ти 8 уложнлась ал одна четверть нолны. Отсюда следует, что величина Н зависит от акустических свойств промежуточной среди при соотношении скоростей , где с - скорость зв ка а пьезоэлементе 3; С/5 ; где TV. - длина волны в пьезоэлементе и f - частота резонанса.Сечение стер невой части стягивакшего болта выбирается исходя из требуемого усилия сжатия пьезоэлемента и прочности на разрыв материала, из которого сделан болт. НаружнсШ поверхность накладки 1 может быть заключена в экран. Увели-ение чувствительности в режиме приема достигается за счет уве личенйя активной поверхности, на которую воздействует акустическое давл ние принимаемого сигнала. Величина площади поверхности приема равна сум ме площадей поверхностей передней н-а ладки, отверстия пьезоэлемента и зад ней накладки. Силы, приведенные к пьезоэлементу с указанных поверхностей, приводят к увеличению деформаци пьезоэлемента, что, в свою очередь вызывает увеличение выходного напря жения, т.е. при одном и том же акустическом давлении чувствительность преобразователя возрастает, несмотря на уменьшение выходного импенданса. Дополнительное увеличение чувствительности в 0 раз достигается за счет объемного резонанса резонатора Гельмгольца. Предлагаемой конструкция акустического преобразователя дает возможность получить: увеличение чувствительности в режимах излучения и приема в 3-4 раза, а направленности вв 1,5-2,0 раза по сравнению с акустическим преобразователем, у которого используется только одна накладка. Формула изобретения 1.Акустический преобразователь, содержащий пакет пьезокерамических шайб, четвертьволновую переднюю и заднюю накладки с отверстиями, стягивающий болт с гайкой, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, отверстие в передней накладке выполнено конусообразным, его меньший диаметр обращен к пакету пьезокерамических шайб и составляет 0,3-0,9 их внутреннего диаметра, головка и часть болта проЬсодящая через пакет пьезокерамическнх шайб, выполнены плоскими, имеющими в поперечном сечении форму прямоугольника с тощиной, меньшей диаметра болта, причем внутренний объем преобразователя заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению среды, на которую нагружен преорр 1эователь. 2,Преобразователь по п.1, о т лич ающийс я тем, что толшина плоских частей болта составляет 0,2-0,4 от его диаметра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США 3140859, кл.259-1, 1964. 2.Камп Л, Подводная акустика, М., Мир, 1972, с. 163 (прототип). 8