Акустический преобразователь Советский патент 1981 года по МПК G01S7/52 

1Изобретение предназначено дяя использования в приборостроении и для антенн, различных гео- и гидролокаторов.5

Известны акустические преобразователи TI I содержащие излучакщую и тыльную накладки, размещенный между ними продольно-поляризованный пьезоэлемент, сжатый с помощью армирукщего болта и гайки.

Наиболее близким к.изобретению по технической сущности и достигаемому результату является акустический преобразователь 2 содержащий пьезоактивный элемент в виде пакета про- «э дольно-поляризованных щайб, размешенный между тыльной и излучающей накладками, и армирующий элемент с гайкой .on

Однако данное устройство имеет не- /и

достатки:

прием и излучение акустических сигналов производится только излучанвдей накладкой , имеющей недостаточную площадь, кроме того, тыльная накладка работает в режиме переотражения колебаний и не работает непосредственно на ср.еду. Это приводит к уменьшению чувствительности в режиме излу-. чения..

2 .1..„.:::::.„,

Тыльная накладка нагружена на воздух, т. е. на среду с низким волновым сопротивлением, что приводит к уменьшению входного импеданса и излишнему потреблению-мощности от генератора импульсов, при этом армирующий болт не участвует в колебательном процессе, создавая лишь статическое сжатие пьезоэлемента, шунтируя его и внося тем самым дополнительные акустические потери.

Целью изобретения является повышение чувствительности в режимах . излучения и приема.

Указанная цель достигается .за счет того, что в тыльной накладке выполнена глухая коническая полость, меньшим диаметром сопряженная с -армирующим элементом, выполненным в виде трубки, отношение диаметра которой к внутреннему диаметру пьезоэлемента лежит в пределах 0,9-1,0, в излучающей, накладке выполнена выемка под армирующую гайку, а пространство внутри армирующей трубки в конической полости тыльной накладки заполнено звукопроводящей средой, отнсшение- скорости распространения звука в которой к скорости звука в материале преобразователя равно 1:3.

В излучающей наклещке может быть выполнено центральное коническое отверстие , площадь поперечного сечения которого по большому диаметру равна площади поверхности шайбы пье эоактивного элемента, а меньший диаметр равен диаметру выемки под армирующу.о гайку, а также за счет того, что армирующая ,рубка выполнена с ребристой поверхностью.

На фиг, 1 представлен акустически преобразовательjна фиг,2 приведены эгпоры распределения скоростей колебаний, распространяющихся по твердому тлу кривая 1 и от тыльной накладки по армирующей трубке (кривая II) в сторону излучающей накладкиj кривая III - эпюра суммарного колебания на выходе преобразователя в режиме излучения , .

В излучающей накладке 1 в отверстии под армирующий элемент выполнена выемка 2 под армирующую гайку 3. Форма выходной части выемки может быть конической, причем отверстие выемки выполняется так, что его площадь поперечного сечения по большому диаметру равно площади кольца активной поверхности кольца накладки 1, а малый диаметр отверстия соответствует диаметру под армирующую гайку и трубку. Армирукадая трубка 4 размещена в отверстии пьезоэлемента 5, представляющего набор продольно поляризованных шайб или трубку, В узле колебаний преобразователя размещен хомутик 6, с помощью которого преобразователь крепится к основанию антенны (на чертежах не показано). Конец армирующей трубки 4 с помощью резьбы соединен с тыльной накладкой 7, выполненной с глухой, например, конической полостью 8, Малый диаметр отверстия плоскости сопряжен с армирующей трубкой которая в свою очередь сопряжена с диаметром отверстия пьезоэлемента 5, и диаметр которой составляет 0,9-1,0 от диаметра последнего. Пространство внутри трубки 4 и полости 8 заполнено звукопроводящей средой, скорость распространения звука которой составляет одну треть от скорости распространения звука в твердом теле преобразователя Высота излучающей накладки .1 составляет одну шестую длины волны, высота тыльной накладки 7 - одну двенадцатую длины волны, а высота пьезоэлемента 5 соответственно равна трем двенадцатым длины волны, укладываемой в твердом теле. Указанные геометрические соотношения элементов 1, 5 7, а также соответствующий выбор скоростей распространения звука в твердом теле и заполняющей среды 9 и выполнение армирующей трубки ребристой позволяют произвести фазировку колебаний. Между поверхностью

отверстия пьезоэлемента 5 и наружной поверхностью армирующей трубки 4 во избежание.электрического пробоя размещена изоляционная трубка 10.

Акустический преобразователь работает следующим образом.

При подаче на входные зажимы пьеЭоэлемента 5 напряжения 1-го полупериода радиоимпульса возбуждения, например, положительной полярности и величиной и, происходит увеличение его длины по обе стороны от узла колебаний, т. е, в месте расположения хомутика 6. Соответствующая эпюра колебательной скорости § изображена на фиг, 2 (I). При этом внутри конической полости 8 тыльной накладки 7 возникает волна разряжения (фиг, 2 эпюра II, полупериод А), распространяющаяся в сторону накладки 1 по материалу трубки 4 и среде 9, являющих ся в данном случае волноводом. Скорости распространения звука в этих элементах равны. Подгонка скоростей достигается с помощью выполнения трубки 4 ребристой формы. Армирующая трубка 4 является .фильтром кольцевого типа и состоит из полых дисковых резонаторов, колеблющихся на радиальной моде, и элементов связи в виде коротких цилиндрических оболочек. При подаче, на вход преобразователя второго полупериода возбуждающего напряжения произойдет сжатие пьезоэлемента 5, в результате чего в полости 8 наклгщки 7 возникает волна сжатия, распространяющаяся также в сторону накладки 1, Эпюра колебательной скорости I при этом примет вид, показанный на фиг, 2 штрих-пунктиром Вследствие подачи на вход очередного (положительного) полупериода возбуждающего напряжения размер пьезоэлемента 5, а, следовательно, и всего преобразователя по продольному размеру возрастет, что снова приведет к возникновению внутри полости 8 накладки 7 волны разряжения. Волна разряжения, которая возникла в первом полупериоде (полупериод А), на эпюре II займет положение А, а эпюра I будет выглядеть так же, как и для первого полупериода. Таким образом, на протяжении первых трех полупериодов излучаемого радиоимпульса изпучение производит только накладка 1, а колебательная энергия накладки 7 претерпевает временную задержку и не излучается в озвучиваемое пространство. Излучение в это время производится так же, как и преобразователем-прототипом, т. е, одной накладкой. При подаче на вход преобразователя четвертого (отрицательного по полярности), полупериода радиоимпульса колебательная энергия тыльной накладки 7 достигн-ет активной поверхности накладки 1 и будет излучаться в фазе с энергией этой накладки. Амплитуда выходного колебания возрасте примерно вдвое (эпюра III, фиг, 2), т. е. чувствительность в режиме излучения возрастет вдвое. Армирующий элемент - трубка 4 в данном случае выполняет двоякую функцию: она испол зуется по прямому назначению, т. е, создает статическое сжатие пьезоэлемента 5, и служит в качестве волновода ,для TfcWbHoft накладки 7. Необходимое усилие сжатия пьезоэлемента созд ется путем соответствующего натяга с помощью армирующей гайки 3..Площадь активной поверхности тыльной накладки 1, образованная большим диаметром кбнической полости 8, может быть такой же по величине, что и площадь накладки 1. Это обеспечивает симметричность колебаний преобразователя и большое сопротивление излучения. Элементы 1, 7, 5, 4 соединены между собой с помощью клея. Форму амплитудно-фазового распределения на выходе преобразователя можно изменять с помощью подбора скорости распространения звука в среду 9, в качестве которой может быть резина или вода, и в трубке 4, а также путем варьирования величиной диаметра выходного отверстия в трубке 4. Это дает возможность получения требуемой ширины диаграм уы направленности. В целях получения симметрии нагрузки накладок площади поверхности накладки 1 и выходного отверстия трубки 4 (или конического отверстия накладки 1) желательно выполнить равными. Возможен вариант расширяющейся трубки или конического отверстия в гайке 3 .

При приеме колебаний описанный выше колебательный процесс в преобразователе протекает обратным образом, т. е. волны движутся в направлении от излучающей накладки 1 в сторону тыльной накладки 7, которая возбуждается колебаниями, распространяЮГ.ЦИМИСЯ по трубке 4 и среде 9, с запаздыванием, равным трем полупериодам. Это вытекает из принципа работы данного преобразователя (фиг. 2). Поэтому для гармонических сигналов в режиме приема чувствительность будет выше, чем для сигналов случайной формл. Сложение последних происходит в данном случае по среднеквадратичному закону вследствие временной задержки в волноводе (трубка 4 и среда 9) на три полупериода колебаний и некоррелированности задержанных полупериодов с вновь принимаемыми и поступаемлми на вход накладки 1. Преобразователь обеспечивает увеличение чувствительности в режиме излучения и приема в два раза.

Формула изобретения

0

1. Акустический преобразователь, содержащий пьезоактивный элемент в виде пакета продольно-поляризованных шайб, размещенный между тыльной и

5 излучающей накладками, и армирующий элемент с гайкой, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности в режимах излучения и приема, в нем в тыльной нак0ладке выполнена глухая коническая полость, меньшим диаметром сопряженрая с армирующим элементом, выполненным в виде трубки, отношение диаметра которой к внутреннему диаметру пьезоэлемента лежит в пределах 0,9-1,0,

5 в излучающей накладке выполнена выемка под армирующую гайку, а пространство внутри армирующей трубки и конической полости тыльной накладки заполнено звукопроводящей средой,

0 отношение скорости распространения звука .г которой к скорости звука в материале преобразователя равно 1:3.

2 . Преобразователь по п. 1, отличающий ся тем, что излу5чающая накладка выполнена с центральным коническим отверстием, площадь поперечного сечения которого по большому диаметру равна площади поверхности шайбы активной поверхнос0ти, а меньший диаметр равен диаметру выемки под армирующую гайку.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что армирующая трубка выполнена с ребристой поверхностью.

5

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР

435859, кл. В 06 В 1/06, 22.02.71.

2.Орлов Л.В. и др. Расчет и про0ектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых стсшций. Пищевая промыиленность, М., 1974, с. 246 (прототип) .

фиг. 2