Ультразвуковой преобразовательРАдиАльНыХ КОлЕбАНий Советский патент 1981 года по МПК B06B1/06 H04R17/00 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано, напри мер, в качестве излучающих элементов антенн гидроакустических станций. Известен ультразвуковой дисковый составной пьезоэлектрический преобразователь радиальных колебаний, содержгидий пьезоэлектрический диск, размещенный между двумя сплошными металли ческими накладками . Недостатком такой конструкции яв-ляется невозможность снижения рабочих частот без увеличения веса и габари-тов преобразователя. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является дисковый электроакустический преобра . зователь радиальных колебаний, состоя щий из пьезоэлектрического диска, на торцовой поверхности которого с целью понижения резонансной частоты преобра зователя по окружности размещены пассивные (металлические) накладки сегментной формы, жестко соединенные с пьезоэлектрическим элементом . Понижение резонансной частоты известного преобразователя достигается путем увеличения веса пассивных накл док. При значительном понижении резонансной частоты это приводит к . значительному увеличению общего веса преобразователя, что и является его существенным недостатком, особенно характерным для преобразователей данного типа большой мощности. Цель изобретения - уменьшение веса и габаритов низкочастотных Преобразователей радиальных колебаний . Для достижения поставленной цели в ультразвуковой преобразователь, . содержащий пьезоэлемент и пассивные накладки сегментной формы, введены упругие элементы, установленные между пьезоэлементом и пассивными накладками и механически соединенные с ними, причем величина гибкости упругого элемента должна удовлетворять соотношение u)(, ,„, ,..,, гибкость упругого элемента, резонансная круговая частота свободного пьезоэлемента, масса пьезоэлемента, масса пассивной накладки, число накладок. Упругий элемент может быть выполнен, например, в виде прокладки мз материала с эффективны молулг м угц.у;гости, меньшим эффективного модуля упругости материала пассивной накладки или с использованием жидкости

На фиг. 1 изображен вариант исполнения ультразвукового преобразователя с расположением упругих элементов и пассивных накладок на внутренней стороне пьезоэлемента; на фиг.2 то же, с расположением упругих элеиентов и пассивных накладок на внешней стороне пьезоэлемента; на фиг.Звариант исполнения упругого элемента с использованием слоя жидкости, на фиг.4 - упрощенная эквивалентаня элетромеханическая схема УЗ преобразователя в режиме узлучения.

Ультразвуковой преобразователь радисшьных колебаний (фиг.1) содержит радиально поляризованный цилиндрический пьезоэлектрический элемент 1 упругие элементы 2, изготовленные в виде прокладок, например, из пластического материала, и пассивные, наример, металлические накладки 3.Упругие элементы 2 расположены на внутренней цилиндрической поверхности пьезоэлектрического элемента 1 и механически связаны с одной стороны с пассивными накладками 3, с другой с: пьезоэлектричеким элементом 1. Указанный преобразователь излучает и принимает акустическую энергию боковой цилиндрической поверхностью.

Работа преобразователя ясна из эквивалентной электромеханической схемы (фиг.4),имеющая следующие обозначения; Ml - масса пьезоэлектрического элемента/ С1 - гибкость пьезоэлектрического элемента; R1 - активное механическое сопротивление, в данном случае (для преобразователя фиг.1), определяющееся активной составляющей сопротивления излучения; М2- масса пассивных накладок; С2 суммарная гибкость упругих элементов; R2 - активное механическое сопротивление механических потерь, F - источник возбуждающей силы.

Другой вариант выполнения ультразвукового преобразователя радиальных колебаний показан на фиг. 2. Как ив варианте, изображенном на фКг.1, он состоит из радиального поляризованного цилиндрического пьезоэлектрического элемента 1, упругих элементов 2 и пассивных накладок 3, механически с ними связанных. Отличие заключается в расположении упругих элементов 2 и пассивных накладок 3 на внешней стороне пьезоэлектрического элемента 1.

Указанное отличие приводит к тому что для преобразователя (фиг.2)на эквивгшентной электрической схеме (фиг.4)сопротивление R2 определяется активной составляющей сопротивления излучения, а R1 - механическим (Потерями в пьезоэлектрическом элементе. При работе преобразователя

вблизи резонансной частоты колебательного звена: упругий элемент пассивная накладка (на фиг. 4 С2 и М соответственно эффективное значение активной составляющей сопротивления нагрузки пьезоэлектрического элемента будет больше активной составляющей сопротивления излучения, т.е. эквивалентное активное сопротивление контура С2, М2 будет больше сопротивления R2, т.е. происходит трансформация активной составляющей сопротивления излучения. Однако эта трансформация вызывает уменьшение эффекта понижения резонансной частоты всего преобразователя.

Таким образом, при создании преобразователей оптимальных по критерию веса предпочтительна конструкция преобразователя с расположением упругих элементов и пассивных накладок на внутренней стороне пьезоэлектрического элемента.

К пьезоэлектрическому элементу 1 фиг. 3 присоединена пассивная накладка 2, которая со стороны, прилегающей к пьезоэлектрическому элементу имеет полость с залитой в нее жидкостью. Толщина стенок пассивных накладок , образующих полость, выбирается таким образом, чтобы в совокупности со слоем жидкости, они обеспечвали заданную гибкость. Жидкость слу жит, в основном, для равномерного распределения механических напряжений по поверхности пьезоэлектрического., элемента.

Предложенный ультразвуковой преобразователь радиальных колебаний позволяет уменьшать вес ультразвуковых преобразователей, работающих на радиальной моде и содержащих с целью понижения рещиальных волновых размеров пассивные накладки. Как известно, резонансная частота таких преобразователей в первом приближении, обратно пропорциональна корню квсщратному из полной массы всего преобразователя, т.е. для понижения волновых радиальных размеров преобразователя, например, в 2 раза необходимо соответственно увеличить его вес в 4 раза. Последнее обстоятельство не всегда является приемлеМЫ1 1.

Таким образом, преимущество предлагаемой конструкции позволяет создать низкочастотные преобразователи при ограничениях по весу и габаритам.

Формула изобретения

Ультразвуковой преобразователь радиальных колебаний, содержащий пьезоэлектрический элемент и пассивные накладки сегментная формы, о т личающийся тем, что, с

целью уменьшения веса и габаритов преобразователя, в него введены упругие элементы, установленные между пьезоэлементом и пассивными накладками и механически соединенные с ними, причем величина гибкости упруго- . го элемента должна удовлетворять соотношение:

«,).

где с - гибкость упругого элемента, tO - резонансная круговая частота свободного пьёзоэлемента;

т - масса пьезоэлемента,

mj - масса пассивной накладки

п - число накладок.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 320080, кл. Н 04 R 17/10, 1969.

2.Авторское свидетельство СССР 211898, кл. В Об В 1/06, 1966. (прототип).

.1

ф«/«.г