PL175673B1

PL175673B1 - Lamellar piezoelectric transducer for operation in a gaseous medium

Info

Publication number: PL175673B1
Application number: PL95306904A
Authority: PL
Inventors: Tadeusz Gudra; Juliusz Bednarek; Edmund Talarczyk
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 1995-01-19
Filing date: 1995-01-19
Publication date: 1999-01-29
Also published as: PL306904A1

Abstract

1. Przetwornik warstwowy piezoelektryczny do pracy w ośrodku gazowym, składający się ze wzbudnika drgań utworzonego z dwóch płytek piezoelektrycznych umieszczonych między warstwami metalowymi oraz walcowego transformatora drgań, do którego przytwierdzonajest okrągła płyta promieniująca, znamienny tym, że strona |99l wyjściowa transformatora drgań (4) ma postać wydrążonego walca, natomiast promieniująca płyta (5)jestwykonana z co najmniej jednej warstwy porowatego tworzywa o imI® pedancji akustycznej mniejszej od impedanIhs cji akustycznej przetwornika.1. Piezoelectric layered transducer to work in a gas center, consisting of a vibration inductor formed from two piezoelectric plates placed between metal layers and a cylindrical vibration transformer, to which a round plate is attached radiating characterized in that the side The 99l output of the vibration transformer (4) has the form a hollow cylinder while radiating the plate (5) is made of at least one layer of imI® porous material acoustic pedance less than impedance acoustic signal of the transducer.

Description

Przedmiotem wynalazku jest przetwornik warstwowy piezoelektryczny do pracy w ośrodku gazowym, stosowany do wytwarzania i odbioru sygnałów ultradźwiękowych.The subject of the invention is a layered piezoelectric transducer for operation in a gaseous medium, used to generate and receive ultrasonic signals.

Powszechnie znane w technice ultradźwiękowej przetworniki warstwowe, pracujące w środowisku gazowym, zbudowane są z płytek piezoelektrycznych sprzężonych obustronnie z warstwami ośrodka stałego, najczęściej metalu. Celem powiększenia amplitudy drgań przetwornika promieniowanie energii ultradźwiękowej następuje za pośrednictwem cylindrycznego transformatora drgań, którego cienki koniec jest połączony w osi z płytką metalową, pobudzoną do drgań w środowisku gazowym.Layered transducers operating in a gaseous environment, commonly known in ultrasonic technology, are made of piezoelectric plates coupled on both sides with layers of a solid medium, most often metal. In order to increase the oscillation amplitude of the transducer, the radiation of ultrasonic energy takes place via a cylindrical vibration transformer, the thin end of which is connected in axis with a metal plate, stimulated to vibrate in a gas environment.

Zasadniczą niedogodnością.tego typu przetwornika jestjego bardzo duża dobroć mechaniczna, która znacznie wydłuża stany przejściowe układu i praktycznie ogranicza jego zastosowanie w transmisji sygnałów echolokacyjnych.The main disadvantage of this type of transducer is its very high mechanical goodness, which significantly extends the transient states of the system and practically limits its use in the transmission of echolocation signals.

Z patentu europejskiego nr 0039986 znanyjest przetwornik akustyczny zbudowany z masy obciążającej i masy promieniującej, pomiędzy którymi znajdująsię płytki piezoelektryczne. Elementy te są otoczone warstwą izolacyjną. Do warstwy promieniującej przylega poliuretanowa membrana uszczelniająca. Obie masy, uszczelniająca i obciążająca, oraz płytki piezoelektryczne są skręcone śrubą przechodzącą przez ich środek, wkręconą w pręt, do którego jest przykręcona płyta promieniująca, składająca się z warstwy metalowej i pierścieni o różnych średnicach, rozstawionych osiowo - symetrycznie, wykonanych z poliuretanu lub gumowej pianki. Między uszczelniającą membraną a promieniującą płytą jest pianka wypełniająca. Całość znajduje się w sztywnej obudowie.European patent no. 0039986 describes an acoustic transducer composed of a loading mass and a radiating mass, between which piezoelectric plates are located. These elements are surrounded by an insulating layer. A polyurethane sealing membrane adheres to the radiating layer. Both the sealing and loading masses and the piezoelectric plates are screwed together with a screw passing through their center, screwed into the rod, to which the radiating plate is screwed, consisting of a metal layer and rings of different diameters, axially spaced - symmetrically, made of polyurethane or rubber foam. There is a filling foam between the sealing membrane and the radiating plate. The whole thing is in a rigid housing.

Przetwornik ten, mimo zastosowanych w nim materiałów syntetycznych, posiada dużą dobroć mechaniczną, która niekorzystnie wpływa na czas trwania impulsu generowanego przez ten przetwornik.This transducer, despite the synthetic materials used in it, has high mechanical goodness, which adversely affects the duration of the pulse generated by this transducer.

Znany z polskiego opisu patentowego nr 98529 przetwornik elektroakustyczny z konwersją R-L w kierunku drgań, utworzony jest z rezonatora drgań radialnych składającego się z piezoelektrycznego dysku z trwale przymocowanym zewnętrznym pierścieniem, do którego przytwierdzony jest rezonator drgań długościowych, wykonany w formie cylindra. ElementemThe electro-acoustic transducer known from the Polish patent specification No. 98529 with the R-L conversion in the direction of vibrations is made of a radial vibration resonator consisting of a piezoelectric disk with a permanently attached outer ring, to which is attached a longitudinal vibration resonator made in the form of a cylinder. Element

175 673 promieniującym jest kołowa płyta drgająca, trwale przymocowana do cylindra. W przetworniku tym drgania radialne zamieniane są tylko w niewielkim stopniu na drgania długościowe, co w konsekwencji powoduje jego małą skuteczność pracy w ośrodku gazowym.175 673 is a circular vibrating plate permanently attached to the cylinder. In this transducer, radial vibrations are converted only to a small extent into longitudinal vibrations, which in consequence causes its low efficiency in a gaseous medium.

Wynalazek dotyczy przetwornika warstwowego piezoelektrycznego do pracy w ośrodku gazowym, składającego się ze wzbudnika drgań, utworzonego z dwóch płytek piezoelektrycznych umieszczonych między warstwami metalowymi oraz walcowego transformatora drgań, do którego przytwierdzona jest okrągła płyta promieniująca.The invention relates to a layered piezoelectric transducer for operation in a gaseous medium, consisting of a vibration exciter formed of two piezoelectric plates placed between metal layers, and a cylindrical vibration transformer to which a circular radiating plate is attached.

Istota wynalazku polega na tym, żę, strona wyjściowa transformatora drgań ma postać wydrążonego walca, natomiast promieniująca płytajest wykonana z co najmniej jednej warstwy porowatego tworzywa o impedancji akustycznej mniejszej od impedancji akustycznej przetwornika. Korzystne jest gdy płyta wykonana jest z'co najmniej dwóch warstw, jednej z metalu o module sprężystości podłużnej od 0,5-10⁴ kG/mm² do 2,5-10⁴ kG/mm², drugiej z tworzywa o małej impedancji akustycznej, przy czym warstwy połączone są ze sobą powierzchniowo. Korzystne jest że wewnętrzne wydrążenie transformatora drgań ma zróżnicowaną średnicę, licząc wzdłuż przekroju osiowego. Korzystne jest także, że wewnętrzne wydrążenie transformatora drgań ma stałą średnicę.The essence of the invention consists in the fact that the output side of the vibration transformer is in the form of a hollow cylinder, while the radiating plate is made of at least one layer of porous material with an acoustic impedance lower than the acoustic impedance of the transducer. It is advantageous if the plate is made of at least two layers, one of metal with a modulus of elasticity from 0.5-10 ⁴ kg / mm ² to 2.5-10 ⁴ kg / mm ² , the other of a material with low acoustic impedance. , the layers being surface-connected to each other. It is preferred that the inner cavity of the vibration transformer has a different diameter along the axial section. It is also preferred that the internal cavity of the vibration transformer has a constant diameter.

Zaletą przetwornika według wynalazku jest zastosowanie lekkiej płyty promieniującej, która zapewnia małą dobroć układu i lepsze dopasowanie do środowiska gazowego. Dzięki temu uzyskuje się impuls akustyczny o krótkim czasie trwania, co ma duże znaczenie przy pomiarach małych odległości. Ponadto przetwornik ten w wykonaniu z fragmentem metalowym płyty promieniującej ma dużą skuteczność, co pozwala na zwiększenie mocy akustycznej.The advantage of the transducer according to the invention is the use of a light radiating plate which ensures low system goodness and better adaptation to the gaseous environment. Thanks to this, an acoustic impulse of a short duration is obtained, which is very important when measuring small distances. Moreover, this transducer, in the version with a metal fragment of the radiating plate, is highly effective, which allows to increase the acoustic power.

Przedmiot wynalazku przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w przekroju osiowym przetwornik z jednowarstwową płytą promieniującą, a fig. 2 - przetwornik z dwuwarstwową płytą promieniującą.The subject matter of the invention is shown in the embodiments in the drawings, in which Fig. 1 shows an axial section of a transducer with a single-layer radiating plate, and Fig. 2 - a transducer with a double-layer radiating plate.

Przetwornik warstwowy według pierwszego przykładu ma wzbudnik drgań składający się z dwóch płaskich, okrągłych płytek piezoelektrycznych 1 zaopatrzonych w metalowe elektrody, które połączone sąmechanicznie z dwiema warstwami metalowymi 2 i 3. Warstwa 3 jest sprzężona z transformatorem drgań 4 typu stopniowego, którego część wyjściową stanowi odcinek wydrążonego walca. Transformator drgań 4 oraz warstwa 3 są wykonane z aluminium. Strona wyjściowa transformatora 4 jest przyklejona do okrągłej płyty promieniującej 5 wykonanej z pumeksu. Płytki 1 są zasilane z generatora napięcia 6.The laminar transducer according to the first example has a vibration exciter consisting of two flat, circular piezoelectric plates 1 provided with metal electrodes, which are mechanically connected to two metal layers 2 and 3. The layer 3 is coupled to a vibration transformer 4 of the step type, the output part of which is a section hollow cylinder. The vibration transformer 4 and layer 3 are made of aluminum. The output side of the transformer 4 is glued to a circular radiating plate 5 made of pumice stone. The plates 1 are powered by the voltage generator 6.

Przetwornik ten zapewnia dobre dopasowanie impedancji przetwornika do impedancji powietrza. Generuje skoncentrowaną wiązkę ultradźwiękową oraz pozwala na wygenerowanie impulsu o krótkim okresie trwania.This transducer ensures a good matching of the transducer impedance to the air impedance. It generates a concentrated ultrasound beam and allows you to generate an impulse of a short duration.

Przetwornik według drugiego przykładu różni się tym od pierwszego, że strona wyjściowa transformatora 4 ma kształt wydrążonego walca o zróżnicowanej średnicy, przy czym kształt ścianek wyznaczają linie krzywe zbliżone do paraboli. Płyta promieniująca utworzonajest z warstwy 7 wykonanej z aluminium i warstwy 8 z pumeksu. Obie warstwy 7 i 8 są ze sobą połączone powierzchniowo. Przetwornik ten daje większą moc akustyczną kosztem dłuższego czasu trwania impulsu.The transducer according to the second example differs from the first in that the output side of the transformer 4 has the shape of a hollow cylinder with different diameters, the shape of the walls being determined by curved lines similar to a parabola. The radiating plate is formed of a layer 7 made of aluminum and a layer 8 of pumice. Both layers 7 and 8 are surface-connected to each other. This transducer gives more acoustic power at the expense of longer pulse duration.

175 673175 673

Fig. 1Fig. 1

Fig 2Fig 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 złPublishing Department of the UP RP. Circulation of 90 copies. Price PLN 2.00

Claims

Patent claims

1. A layered piezoelectric transducer for operation in a gaseous medium, consisting of a vibration inductor made of two piezoelectric plates placed between metal layers and a cylindrical vibration transformer to which a circular radiating plate is attached, characterized in that the output side of the vibration transformer (4) has the form of a hollow cylinder, while the radiating plate (5) is made of at least one layer of porous material with an acoustic impedance lower than the acoustic impedance of the transducer.

2. The transducer according to claim 3. The plate according to claim 1, characterized in that the plate is made of at least two layers (7,8), one (7) of metal with a modulus of elasticity from 0.5-10 ⁴ kg / mm ² to 2.5-10 ⁴ kg / mm2, the other (8) is made of a material with low acoustic impedance, the layers (7, 8) being connected by the surface.

3. The transducer according to claim A method as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the internal cavity of the vibration transformer (4) has a different diameter along the axial section.

4. The transducer according to claim The method of claim 1 or 2, characterized in that the internal cavity of the vibration transformer (4) has a constant diameter.