DE3521687A1 - Acoustic piezo-electric converter for high performance - Google Patents
Acoustic piezo-electric converter for high performanceInfo
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- B06B1/0618—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile of piezo- and non-piezoelectric elements, e.g. 'Tonpilz'
Abstract
Description
[ANNOVER.[ANNOVER.
15. Juni 1985June 15, 1985
Dr. J/JDr. Y / Y
Meine Akte: 2827My file: 2827
SKODA koncernovy podnik, Plzen (IschechoSlowakei)SKODA koncernovy podnik, Plzen (IschechoSlovakia)
Akustischer piezoelektrischer Wandler für hohe Leistungen -Acoustic piezoelectric transducer for high performance -
Die Erfindung betrifft einen akustischen piezoelektrischen Wandler für hohe Leistungen in Sandwichform mit piezo- , elektrischen Elementen, welche außerhalb der Zonen von ^ Schwingungsknoten vorgesehen sind.The invention relates to an acoustic piezoelectric transducer for high performance in sandwich form with piezo, electrical elements which are outside the zones of ^ Vibration nodes are provided.
Bekannte Anordnungen akustischer piezoelektrischer Wandler haben üblicherweise die Länge einer Halbwelle und werden für ein Erhöhen der benötigten akustischen Leistung derart parallelgeschaltet, daß sie mechanisch an ein gemeinsames abgestimmtes Element -■ einen Radiator oder Konzentrator angeschlossen sind. Bei einer derartigen Anordnung kann ein niedriges Verhältnis des Tolumens des akustischen Systems zur akustischen Leistung nicht erzielt werden. Gleichfalls sind üblicherweise die geometrischen Abmessungen dieses Leistungssystems unvorteilhaft. Ein Nachteil ist es auch, daß parallelgeschaltete Wandler für deren gleichförmige Belastung eine genau gleiche l?requenz aufweisen müssen.Known arrangements of acoustic piezoelectric transducers usually have the length of a half-wave and are connected in parallel to increase the required acoustic power in such a way that they are mechanical connected to a common coordinated element - ■ a radiator or concentrator. With such an arrangement, a low ratio of tolumen of the acoustic system for acoustic performance cannot be achieved. Likewise, the geometric ones are usually Dimensions of this power system unfavorable. It is also a disadvantage that they are connected in parallel Converters must have exactly the same frequency for their uniform load.
Pur ein Erhöhen der akustischen Leistung hat man gemäß der USA-Patentschrift-No. 3,389.783 oder der britischen Patentschrift No. l,289.5ol eine Längendimension eines leistungsfähigen akustischen Wandlers, die eine Mehrzahl yon Halbwellenlängen beträgt, reduziert. Die piezoelektrischen Elemente befinden sich jedoch in Zonen der Schwingungsknoten. Eine Anordnung von piezoelektrischen Elementen in Zonen von Schwingungsknoten ermöglicht, wie bekannt, nicht ein Erzielen eines hohen Wirkungsgrades des akustischen piezoelektrischen Wandlers - was auch der USA-Patentschrift No. 3, 524.085 zu entnehmen ist.Purely to increase the acoustic performance one has according to the USA patent specification No. 3,389,783 or the British Patent No. l, 289.5ol a length dimension of a powerful acoustic transducer, which is a plurality of half-wavelengths, reduced. The piezoelectric elements are located however, in zones of the vibration nodes. An arrangement of piezoelectric elements in zones of vibration nodes, as is known, does not make it possible to achieve a high degree of acoustic efficiency piezoelectric transducer - which is also described in U.S. Patent No. 3, 524.085 can be found.
Biese Nachteile behebt die Erfindung. Ss ist die Aufgabe der Erfindung, bei einem akustischen Wandler für hohe Leistungen das Verhältnis des Volumens des akustischen Systems zur akustischen Leistung zu verbessern, vorteilhafte geometrische Abmessungen zu erzielen und einen hohen Leistungsgrad zu erzielen.The invention overcomes these disadvantages. Ss is the job of the invention, in the case of an acoustic transducer for high powers, the ratio of the volume of the acoustic Systems to improve acoustic performance, achieve advantageous geometric dimensions and to achieve a high level of performance.
Die Erfindung besteht darin, daß innerhalb der Länge des Wandlers, die ein ganzzahliges Produkt einer Halbwellenlänge beträgt, an einer oder zwei Stellen jeweils zwischen einem akustischen Element in der Schwingungsausbauchungszone ein oder zwei piezoelektrische Elemente vorgesehen sind, und zwar entweder zwischen einem akustischen Element in der Schwingungsknotenzone oder einem akustischen Element in der Schwingungsknoten- und Ausbauchungszone, jedoch sind die piezoelektrischen Elemente minimal in zwei oder in jeder Halbwellenlänge angeordnet.The invention consists in that within the length of the transducer, which is an integer product of a Half-wave length, at one or two points each between an acoustic element in the Vibration bulge zone one or two piezoelectric elements are provided, either between an acoustic element in the nodal zone or an acoustic element in the nodal and bulge zone, but they are piezoelectric Elements arranged minimally in two or in each half-wavelength.
Die akustischen Elemente in der Zone eines Schwingungsknotens oder akustische Elemente in der Zone eines The acoustic elements in the zone of a vibration node or acoustic elements in the zone of one
Schwingungsknotens und einer Schwingungsausbauchraig oder deren Kombination zwischen Harbwellenlängen können entweder eine Einheit vorstellen oder geteilt und mechanisch verbunden sein.Oscillation node and a oscillation bulge or their combination between Harb wavelengths can either represent a unit or split and be mechanically connected.
In der Grenzhalbwellenlänge des akustischen piezoelektrischen Wandlers, wo sich lediglich ein erstes oder zweites piezoelektrisches Element befindet, kann der akustische piezoelektrische Wandler an einem oder an beiden Austrittenden einen verringerten Querschnitt haben.In the cut-off half-wavelength of the acoustic piezoelectric Converter, where only a first or second piezoelectric element is located, can acoustic piezoelectric transducers at one or both exit ends have a reduced cross-section to have.
In einer oder in mehreren Halbwellenlängen des akustischen piezoelektrischen Wandlers kann auch ein passives abgestimmtes Element vorgesehen sein, entweder mit oder ohne Transformation des Amplitudenausschlages der Schwingungen.In one or more half-wavelengths of the acoustic piezoelectric transducer, a passive matched element can be provided, either with or without transformation of the amplitude deflection of the vibrations.
Sin Vorteil des erfindungsgemäßen akustischen piezoelektrischen Wandlers ist dessen niedriges Verhältnis des Volumens des Wandlers zur akustischen Leistung und dessen vorteilhafte geometrische Abmessungen. Durch Erhöhen der Zahl der Halbwellenlängen des Wandlers kann die Leistung des akustischen Wandlers erhöht werden* Der erfindungsgemäße akustische piezoelektrische Wandler hat einen sehr hohen Wirkungsgrad.One advantage of the acoustic piezoelectric transducer according to the invention is its low ratio the volume of the transducer for acoustic performance and its advantageous geometric dimensions. By increasing the number of half-wavelengths of the transducer, the performance of the acoustic transducer can be increased * The acoustic piezoelectric according to the invention Converter has a very high efficiency.
Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand von schematisch in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: The essence of the invention is below with reference to schematically illustrated in the drawing embodiments explained in more detail. Show it:
Fig. 1 einen akustischen piezoelektrischen Wandler 1 einer Länge von zwei Halbwellenlängen λ/2,1 shows an acoustic piezoelectric transducer 1 with a length of two half-wavelengths λ / 2,
Fig. 2 einen akustischen piezoelektrischen WandlerFig. 2 shows an acoustic piezoelectric transducer
einer Länge von zwei Halbwellenlängen mita length of two half-wavelengths with
;■ ; ■ in der Zone einer Schwingungsausbauchung ; ■; ■ in the zone of an oscillation bulge
geteilten akustischen Elementen,split acoustic elements,
Fig. 3 einen akustischen piezoelektrischen Wandler3 shows an acoustic piezoelectric transducer
einer Länge von drei Halbwellenlängen X /2 ; mit einem akustischen Element in der Zonea length of three half-wavelengths X / 2; with an acoustic element in the zone
eines Schwingungsknotens, wobei er an dessen Austrittende Io einen verringerten Querschnitt aufweist,of a vibration node, with a reduced cross-section at its exit end Io having,
Fig. 4 einen akustischen piezoelektrischen Wandler : einer Länge eines "n" Produktes einer HaIb-4 shows an acoustic piezoelectric transducer : a length of an "n" product of a half
wellenlänge Jk</2, der an seiner ersten Austrittstelle Io ein Gewinde 11 besitzt,wavelength Jk </ 2, at its first exit point Io has a thread 11,
r Fig. 5 einen akustischen piezoelektrischen Wandler r Fig. 5 shows an acoustic piezoelectric transducer
einer Länge von drei Halbwellenlängen·)^ /2,a length of three half-wavelengths) ^ / 2,
: der an seiner Austrittstelle Io ein passives: which is a passive one at its exit point Io
akustisches Element 8 mit einem Flansch 9 aufweist,having acoustic element 8 with a flange 9,
Fig. 6 einen akustischen piezoelektrischen Wandler einer Länge von drei Halbwellenlängen Λ*/2, ^- der an seiner ersten Austrittstelle Io ein6 shows an acoustic piezoelectric transducer with a length of three half-wavelengths Λ * / 2, ^ - the one at its first exit point Io
passives akustisches Element 8 mit verringertem Querschnitt besitzt.has passive acoustic element 8 with a reduced cross-section.
Gemäß Fig. 1 befindet sich in jeder von zwei Halbwellenlängen Λ* /2 des akustischen piezoelektrischen Wandlers 1 jeweils ein Paar erster piezoelektrischer Elemente 2 und ein Paar zweiter piezoelektrischer Elemente 3, die derart polarisiert sind, daß sich deren Wirkungen addieren (siehe angedeutete Pfeile).According to FIG. 1, Λ * / 2 of the acoustic piezoelectric is in each of two half-wavelengths Converter 1 each have a pair of first piezoelectric elements 2 and a pair of second piezoelectric elements Elements 3, which are polarized in such a way that their effects add up (see indicated arrows).
' Diese piezoelektrischen Elemente befinden sich außer'These piezoelectric elements are located outside
halb der Zonen von Schwingungsknoten, welche an derhalf of the zones of vibration nodes, which at the
Knotenebene Έ anliegen, zwischen akustischen Elementen 5 in Zonen von Schwingungsausbauchungen, die an Ebenen A der Schwingungsausbauchungen anliegen und akustischen Elementen 4 in der Zone von Schwingungsknoten. An der ersten Austrittstelle Io ist ein erstes Gewinde 11 für den Anschluß einer akustischen Last vorgesehen, Der Querschnitt der akustischen Elemente 4, 5 ist gleich dem Querschnitt der piezoelektrischen Elemente 2,3. Die akustischen Elemente 5 zwischen Halbwellenlängen Node level Έ are applied, between acoustic elements 5 in zones of oscillation bulges, which are in contact with planes A of the oscillation bulges, and acoustic elements 4 in the zone of oscillation nodes. At the first exit point Io, a first thread 11 is provided for the connection of an acoustic load. The cross section of the acoustic elements 4, 5 is the same as the cross section of the piezoelectric elements 2, 3. The acoustic elements 5 between half-wavelengths
>*/2 bilden eine Einheit. Die akustischen Elemente 4» 5 haben dieselbe Dichte sowohl in der Zone des Schwingungsknotens als auch in der Zone der Schwingungsausbauchung. Diese Dichte der Masse kann jedoch auch unterschiedlich sein. Die akustischen Elemente 4, 5 sind aus elektrisch gleich leitendem Material hergestellt. Sie können jedoch auch aus Halbleiterma- ·» terial und Nichtleitermaterial bestehen.> * / 2 form a unit. The acoustic elements 4 »5 have the same density both in the zone of the vibration node and in the zone of the vibration bulge. However, this density of the mass can also be different. The acoustic elements 4, 5 are made of material with the same electrical conductivity. However, they can also be made from semiconductor materials. material and dielectric material.
Pig. 2 zeigt einen akustischen piezoelektrischen Wandler 1 ähnlicher Konstruktion wie in Pig. 1. Er unterscheidet sich lediglich darin, daß er auch eine zweite, mit einem zweiten Gewinde 14 versehene Austrittstelle 12 besitzt. Zwischen der ersten und zweiten Halbwellenlänge J*/2 sind geteilte akustische Elemente 5 in der Zone der Schwingungsausbauchung vorgesehen, die mittels einer Schraubverbindung 7 verbunden sind.Pig. Figure 2 shows an acoustic piezoelectric transducer 1 of similar construction to Pig. 1. He differs only in that it also has a second exit point provided with a second thread 14 12 owns. Between the first and second half-wavelengths J * / 2 are split acoustic signals Elements 5 are provided in the zone of the oscillation bulge, which by means of a screw connection 7 are connected.
Der in Pig. 3 dargestellte akustische piezoelektrische Wandler 1 unterscheidet sich von den vorangehenden dadurch, daß er eine um eine Halbwellenlänge J" /2 größere Länge besitzt. In dieser letzten Halbwellenlänge X/2 ist nur ein Paar erster piezoelektrischer Elemente 2 angeordnet. Die erste Aus-The one in Pig. Acoustic piezoelectric transducer 1 shown in FIG. 3 differs from the preceding ones in that it has a length greater by a half-wavelength J " / 2. Only a pair of first piezoelectric elements 2 is arranged in this last half-wavelength X / 2.
trittssteile Io hat einen verringerten Querschnitt 6 und ist mit einem ersten Gewinde 11 versehen. Durch Verkleinern des Querschnittes 6 wird ein Verkleinern der Kraft im Knotenpunkt für eine gegebene Austrittsamplitude der Schwingungsabweichung erzielt.step parts Io has a reduced cross-section 6 and is provided with a first thread 11. By Reducing the cross-section 6 results in a reduction in the force in the node for a given exit amplitude the oscillation deviation achieved.
Pig. 4 zeigt einen akustischen piezoelektrischen Wandler 1 einer "n" fachen länge einer Halbwellenlänge X /2. In jeder Halbwellenlänge X /2 sind außerhalb der Zonen von Schwingungsknoten zwischen akustischen Elementen 15 mit einer Zone eines Schwingungsknotens und einer Schwingungsausbauchung und akustischen Elementen 5 in der Zone einer Schwingungsausbauchung lediglich zwei Paare erster piezoelektrischer Elemente 2 vorgesehen. Akustische Elemente 15 mit einer Zone des Schwingungsknotens und einer Zone einer Schwingungsausbauchung bilden mit akustischen Elementen 5 in der Zone einer Schwingungsausbauchung zwischen HalbwellenlängenX/2 eine Einheit und haben denselben Querschnitt wie die piezoelektrischen Elemente 2. An der Austrittsstelle Io ist wieder ein erstes Gewinde 11 für den Anschluß einer akustischen Last vorgesehen.Pig. 4 shows an acoustic piezoelectric transducer 1 of "n" times the length of a half-wavelength X / 2. In each half-wavelength X / 2 outside the zones of vibration nodes between acoustic elements 15 with a zone of a vibration node and a vibration bulge and acoustic elements 5 in the zone of a vibration bulge only two pairs of first piezoelectric elements 2 are provided. Acoustic elements 15 with a zone of the vibration node and a zone of a vibration bulge form a unit with acoustic elements 5 in the zone of a vibration bulge between half-wavelengths X / 2 and have the same cross-section as the piezoelectric elements 2. At the exit point Io there is again a first thread 11 for the connection of an acoustic load is provided.
5 zeigt einen akustischen piezoelektrischen Wandler lf bei dem in dessen erster und zweiter Halbwellenlänge λ /2 außerhalb der Zone von Schwingungsknoten zwischen akustischen Elementen 4 in Zonen von Schwingungsknoten und akustischen Elementen 5, welche sich zwischen der ersten und zweiten Halbwellenlänge Λ//2 als Einheit befinden, in Zonen von Schwingungsausbauchungen jeweils zwei und zwei Paare erster und zweiter piezoelektrischer Elemente 2, 3 angeordnet5 shows an acoustic piezoelectric transducer l f in which in its first and second half- wavelength λ / 2 outside the zone of vibration nodes between acoustic elements 4 in zones of vibration nodes and acoustic elements 5, which are between the first and second half-wavelength Λ // 2 as Unit are located in zones of oscillation bulges in each case two and two pairs of first and second piezoelectric elements 2, 3 arranged
sind. Die dritte Halbwellenlänge>*/2 bildet ein passives abgestimmtes akustisches Element 8 ohne Amplitudentransformation der Schwingungsabweichungen und bildet eine Sinheit mit dem akustischen Element in der Zone der Schwingungsausbauchung der zweiten HalbwellenlängeX/2. Das passive abgestimmte akustische Element 8 hat einen Plansch 9, der für dessen Befestigung dient. Die erste Austrittsstelle Io ist wieder mit einem G-ewinde 11 versehen. Die akustischen Elemente 4, 5 in der Zone eines Schwingungsknotens und einer Ausbauchung haben denselben Querschnitt wie die ersten und zweiten piezoelektrischen Elemente 2, 3.are. The third half wavelength> * / 2 forms a passive tuned acoustic element 8 without amplitude transformation of the oscillation deviations and forms a sinusity with the acoustic element in the zone of the oscillation bulge of the second Half wavelength X / 2. The passive tuned acoustic Element 8 has a puddle 9, which is used for its attachment. The first exit point is Io again provided with a G-winch 11. The acoustic elements 4, 5 in the zone of a vibration node and a bulge have the same cross section as the first and second piezoelectric elements 2, 3.
Fig. 6 zeigt einen akustischen piezoelektrischen Wandler 1, der in der ersten und zweiten Halbwellen- i längeλ/2 außerhalb der Zone des Schwingungsknotens zwischen akustischen Elementen 4 in der Zone eines Schwihgungsknotens und akustischen Elementen 5 in einer Zone einer Schwingungsausbauchung ein Paar erster und zweiter piezoelektrischer Elemente 2, 3 aufweist. Die dritte Halbwellenlänge λ· /2 bildet ein passives abgestimmtes akustisches Element 8, das mit einem Flansch 9 versehen ist und an der ersten Austrittsstelle Io einen verringerten Querschnitt 13 besitzt, Für einen Anschluß der last dient wieder ein erstes G-ewinde 11. Die akustischen Elemente 5, 8 zwischen einzelnen Harbwellenlängen&/2 bilden Einheiten.Fig. 6 shows an acoustic piezoelectric transducer 1 shown in the first and second half-wave i längeλ / 2 outside the region of the vibration node between acoustic elements 4 in the zone of a Schwihgungsknotens and acoustic elements 5 in a zone of a vibration bulge a pair of first and second having piezoelectric elements 2, 3. The third half-wavelength λ · / 2 forms a passive, tuned acoustic element 8, which is provided with a flange 9 and has a reduced cross-section 13 at the first exit point Io. A first thread winch 11 is again used to connect the load Elements 5, 8 between individual Harb wavelengths & / 2 form units.
Die Knotenpunktebenen K sind in den Fig. 2 bis 6 für eine bessere Übersicht nicht angedeutet.The node planes K are shown in FIGS. 2 to 6 not indicated for a better overview.
Die Verbindung aller akustischer Teile des Wandlers kann mittels bekannter Verfahren ausgeführt werden, z.3. mittels einer zentralen Schraube oder mit Umfangsmuffen» welche auch die benötigte mechanische Torspannung piezoelektrischer Elemente erzeugen.The connection of all acoustic parts of the transducer can be carried out using known methods, z.3. by means of a central screw or with circumferential sleeves » which also generate the required mechanical gate voltage of piezoelectric elements.
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Claims (4)
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CS521284A CS246362B1 (en) | 1984-07-05 | 1984-07-05 | Acoustic piezoelectric transducer for high outputs |
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| US3689783A (en) * | 1971-03-11 | 1972-09-05 | David A Williams | Ultrasonic transducer with half-wave separator between piezoelectric crystal means |
| GB1289501A (en) * | 1969-01-02 | 1972-09-20 |
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-
1985
- 1985-06-18 DE DE19853521687 patent/DE3521687A1/en not_active Ceased
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3524085A (en) * | 1968-05-09 | 1970-08-11 | Branson Instr | Sonic transducer |
| GB1289501A (en) * | 1969-01-02 | 1972-09-20 | ||
| US3689783A (en) * | 1971-03-11 | 1972-09-05 | David A Williams | Ultrasonic transducer with half-wave separator between piezoelectric crystal means |
Also Published As
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| CS246362B1 (en) | 1986-10-16 |
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