RU162340U1

RU162340U1 - ACOUSTIC TRANSMITTER

Info

Publication number: RU162340U1
Application number: RU2015139107/28U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Филиппович Гейер; Сергей Андреевич Парпула
Original assignee: Анатолий Филиппович Гейер
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2016-06-10

Abstract

Электроакустический преобразователь предназначен для работы предпочтительно на высоких звуковых и ультразвуковых частотах. Преобразователь включает корпус 1, с центральным элементом 4, диафрагму 2 и биморфный пьезоэлемент 3. Диафрагма имеет кольцевое углубление, которое делит ее на наружную плоскую кольцевую часть, связанную с боковой стенкой корпуса, и на внутреннюю плоскость. Часть внутренней плоскости связана с центральным элементом корпуса, а к кольцевой вершине углубления присоединен своей внешней периферией биморфный пьезоэлемент, выполненный с двумя пьезокерамическими дисками. Технический результат - более узкая диаграмма направленности и повышенное звуковое давление. 1 п. ф-лы, 2 ил. The electro-acoustic transducer is designed to operate preferably at high sound and ultrasonic frequencies. The transducer includes a housing 1, with a central element 4, a diaphragm 2 and a bimorph piezoelectric element 3. The diaphragm has an annular recess that divides it into an outer flat annular part connected with the side wall of the housing and into the inner plane. A part of the inner plane is connected with the central element of the housing, and a bimorph piezoelectric element made with two piezoceramic disks is attached to its annular vertex of the recess. The technical result is a narrower radiation pattern and increased sound pressure. 1 p. Fs, 2 ill.

Description

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬACOUSTIC TRANSMITTER

Полезная модель относится к электроакустической технике, а именно к пьезо-керамическим электроакустическим преобразователям, предназначенным для работы преимущественно на высоких звуковых и ультразвуковых частотах.The utility model relates to electro-acoustic technology, namely to piezo-ceramic electro-acoustic transducers designed to operate primarily at high sound and ultrasonic frequencies.

Известны электроакустические преобразователи ультразвуковой частоты содержащие открытый корпус с размещенным внутри биморфным пьезоэлементом, который прикреплен одной стороной к цилиндрической опоре, а к центру другой стороны прикреплена своей вершиной легкая конусная диафрагма, обращенная к открытой части корпуса. В этой конструкции излучающим элементом является конусная диафрагма. (Ultrasonic Sensor, Cat. No. S15E-5, «Murata Manufacturing Со.» Ltd, 2008).Electroacoustic transducers of ultrasonic frequency are known containing an open housing with a bimorph piezoelectric element located inside, which is attached on one side to a cylindrical support, and a light conical diaphragm is attached to the center of the other side with its apex facing the open part of the housing. In this design, the radiating element is a conical diaphragm. (Ultrasonic Sensor, Cat. No. S15E-5, "Murata Manufacturing Co." Ltd, 2008).

Недостаток данной конструкции заключается в том, что конусная излучающая диафрагма не может быть выполнена достаточно больших размеров без увеличения своей массы и без потери жесткости и устойчивости. Диаметр диафрагмы не превышает диаметр биморфного пьезоэлемента и обычно составляет примерно половину длины волны излучаемого звука. Указанная особенность является причиной, ограничивающей эффективность излучения и не позволяет концентрировать излучаемую энергию в узком телесном угле, тогда как в ряде практических применений желательно излучение с меньшей расходимостью.The disadvantage of this design is that the conical radiating diaphragm cannot be made large enough without increasing its mass and without losing stiffness and stability. The diameter of the diaphragm does not exceed the diameter of the bimorph piezoelectric element and is usually about half the wavelength of the emitted sound. This feature is the reason that limits the radiation efficiency and does not allow to concentrate the radiated energy in a narrow solid angle, while radiation with less divergence is desirable in a number of practical applications.

Известен электроакустический преобразователь (патент на полезную модель RU 71496, Н04 17/00), состоящий из корпуса, круглого бимофного пьезоэлемента и излучающей диафрагмы. Диафрагма имеет плоскую кольцевую часть и выпуклую часть. Периферийная окружность плоской части соединена с боковой стенкой корпуса, а основание выпуклой части соединено с периферией биморфного пьезоэлемента.Known electro-acoustic transducer (patent for utility model RU 71496, H04 17/00), consisting of a housing, a round bimophous piezoelectric element and a radiating diaphragm. The diaphragm has a flat annular part and a convex part. The peripheral circumference of the flat part is connected to the side wall of the housing, and the base of the convex part is connected to the periphery of the bimorph piezoelectric element.

Наличие центральной выпуклой части в упомянутом электроакустическом преобразователе не является недостатком при работе на низких и средних звуковых частотах, так как к индивидуальным источникам звука слышимых частот не предъявляется требование по направленности. На высоких звуковых и ультразвуковых частотах диафрагму можно выполнить с диаметром, превышающем несколько длин волн звука в воздухе, и это могло бы стать предпосылкой более направленного излучения. Однако высота выпуклости становится фактором, который обусловливает искажение фронта излучаемой волны, а попытки уменьшить высоту выпуклой части приводят к потере ее жесткости и появлению нежелательных изгибных колебаний на сферической поверхности. Искажение фронта излучаемой волны является причиной широкой диаграммы направленности.The presence of a central convex part in the aforementioned electro-acoustic transducer is not a disadvantage when operating at low and medium sound frequencies, since the directivity requirement is not imposed on individual sound sources of audible frequencies. At high sound and ultrasonic frequencies, the diaphragm can be made with a diameter exceeding several wavelengths of sound in the air, and this could become a prerequisite for more directed radiation. However, the height of the convexity becomes a factor that causes distortion of the front of the emitted wave, and attempts to reduce the height of the convex part lead to a loss of its rigidity and the appearance of undesirable bending vibrations on a spherical surface. The distortion of the front of the radiated wave causes a wide radiation pattern.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению и принятым за прототип является электроакустический преобразователь (документ RU 2561341, H04R 17/00 http://www.findpatent.ru/patent/256/2561341.html), состоящий из корпуса, круглого бимофного пьезоэлемента и сплошной излучающей диафрагмы. Диафрагма имеет плоскую кольцевую часть, соединенную с боковой стенкой корпуса, центральную выпуклую часть и кольцевое углубление, примыкающее к центральной выпуклой части. Биморфный пьезоэлемент по своей периферии соединен с основанием кольцевого углубления.The closest to the claimed technical solution and adopted for the prototype is an electro-acoustic transducer (document RU 2561341, H04R 17/00 http://www.findpatent.ru/patent/256/2561341.html), consisting of a body, a round bimophic piezoelectric element and a solid radiating diaphragm. The diaphragm has a flat annular part connected to the side wall of the housing, a central convex part and an annular recess adjacent to the central convex part. A bimorph piezoelectric element at its periphery is connected to the base of the annular recess.

Указанный электроакустический преобразователь, имея основную частоту около 3 кГц, работает также на высоких звуковых и ультразвуковых частотах, но при этом используются высшие гармоники колебаний биморфного пьезоэлемента. При работе на высших гармониках эффективность преобразователя ниже, чем на основной частоте. Указанный электроакустический преобразователь, будучи исполненный с основной частотой в диапазоне высоких звуковых и ультразвуковых частот, приобретает те же недостатки, что и у предыдущего аналога, то есть искажение фронта волны из-за наличия центральной выпуклости и расширение диаграммы направленности.The specified electro-acoustic transducer, having a fundamental frequency of about 3 kHz, also works at high sound and ultrasonic frequencies, but the higher harmonics of vibrations of the bimorph piezoelectric element are used. When operating at higher harmonics, the efficiency of the converter is lower than at the fundamental frequency. The specified electro-acoustic transducer, being executed with the fundamental frequency in the range of high sound and ultrasonic frequencies, acquires the same disadvantages as the previous analogue, that is, the distortion of the wave front due to the presence of a central bulge and the expansion of the radiation pattern.

Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка электроакустического преобразователя с более узкой диаграммой направленности излучения и более высоким звуковым давлением по оси излучения.The technical result of this utility model is the development of an electro-acoustic transducer with a narrower radiation pattern and higher sound pressure along the radiation axis.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый электроакустический преобразователь, состоит из корпуса, биморфного пьезоэлемента и сплошной диафрагмы. При этом диафрагма имеет наружную плоскую кольцевую часть, соединенную с внутренней стенкой корпуса, кольцевое углубление, к кольцевой вершине которого присоединен своей периферией биморфный пьезоэлемент, и внутреннюю плоскую часть. Центральная часть внутренней плоскости диафрагмы связана с центральным элементом корпуса, а биморфный пьезоэлемент выполнен с двумя пьезокерамическими дисками. Кольцевое углубление, в силу своей геометрии, является жесткой частью диафрагмы, поэтому колебания ее поверхности повторяют колебания периферии биморфного пьезоэлемента и имеют равномерное распределение амплитуды и фазы. Тем самым обеспечиваются условия для получения фронта волны, более приближенного к плоскому, а пространственное расхождение волн уменьшается.The technical result is achieved by the fact that the proposed electro-acoustic transducer consists of a housing, a bimorph piezoelectric element and a continuous diaphragm. In this case, the diaphragm has an outer flat annular part connected to the inner wall of the housing, an annular recess, to the annular top of which a bimorph piezoelectric element is connected by its periphery, and an inner flat part. The central part of the inner plane of the diaphragm is connected with the central element of the housing, and the bimorph piezoelectric element is made with two piezoceramic disks. The annular depression, by virtue of its geometry, is a rigid part of the diaphragm; therefore, its surface vibrations repeat the vibrations of the periphery of the bimorph piezoelectric element and have a uniform distribution of amplitude and phase. This ensures the conditions for obtaining a wave front that is closer to a plane, and the spatial divergence of the waves decreases.

Концентрация излучения в более узком телесном угле также приводит к повышению звукового давления вдоль оси излучения. Центральный элемент корпуса, обладая большей массой и жесткостью по сравнению с диафрагмой, исключает в центральной части диафрагмы нежелательные колебания с обращенной фазой, которые неизбежно возникают на высоких звуковых и ультразвуковых частотах и искажают фронт излучаемой волны. Диафрагма, имея неразрывную сплошную поверхность, обеспечивает защиту внутренних элементов электроакустического преобразователя и, благодаря этой защите, появляется возможность выполнить биморфный пьезоэлемент с двумя пьезокерамическими дисками. Это увеличивает амплитуду колебаний и дает дополнительное повышение звукового давления.The concentration of radiation in a narrower solid angle also leads to an increase in sound pressure along the axis of radiation. The central body element, having greater mass and stiffness compared to the diaphragm, eliminates undesired reverse phase oscillations in the central part of the diaphragm that inevitably occur at high sound and ultrasonic frequencies and distort the front of the emitted wave. The diaphragm, having an inextricably continuous surface, provides protection for the internal elements of the electro-acoustic transducer and, thanks to this protection, it becomes possible to perform a bimorph piezoelectric element with two piezoceramic disks. This increases the amplitude of the oscillations and gives an additional increase in sound pressure.

Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами графических изображений.The essence of the utility model is illustrated by the following figures of graphic images.

Фиг. 1 - схематическое изображение электроакустического преобразователя.FIG. 1 is a schematic illustration of an electro-acoustic transducer.

Фиг. 2 - вид электроакустического преобразователя со стороны излучающей поверхности.FIG. 2 is a view of an electro-acoustic transducer from the side of a radiating surface.

Схематический вид предлагаемого электроакустического преобразователя представлен на фиг. 1 в вертикальном разрезе по диаметру. Преобразователь состоит из корпуса 1 с центральным элементом 4, диафрагмы 2 и биморфного пьезоэлемента 3.A schematic view of the proposed electro-acoustic transducer is shown in FIG. 1 in vertical section along the diameter. The transducer consists of a housing 1 with a central element 4, a diaphragm 2 and a bimorph piezoelectric element 3.

Пример осуществления изобретения иллюстрируется изображениями на фиг. 1 и фиг. 2. В данном примере корпус 1 выполнен в форме открытого с одной стороны цилиндра и имеет в основании отверстие для вывода проводов. Диафрагма выполнена сплошной, из металлической фольги. Наружная периферия диафрагмы имеет клеевое соединение с боковой стенкой корпуса 1. Центральная часть диафрагмы имеет клеевое соединение с центральным элементом 4 корпуса. Центральный элемент корпуса связан с боковой частью корпуса лучевыми перемычками, как показано на фиг. 2. Кольцевое углубление диафрагмы имеет вид двух взаимно обращенных конических поверхностей. К кольцевой вершине этого углубления приклеен своей периферией биморфный пьезоэлемент 3. Бимофный пьезоэлемент состоит из двух пьезокерамических дисков, приклеенных с двух сторон к металлической мембране. К наружным электродам пьезокерамических дисков припаяны провода и выведены наружу через отверстие корпуса. Мембрана также имеет отверстие, через которое идет провод от верхнего пьезокерамического диска.An example embodiment of the invention is illustrated by the images in FIG. 1 and FIG. 2. In this example, the housing 1 is made in the form of a cylinder open on one side and has a hole in the base for outputting wires. The diaphragm is solid, made of metal foil. The outer periphery of the diaphragm has an adhesive connection with the side wall of the housing 1. The central part of the diaphragm has an adhesive connection with the central element 4 of the housing. The central housing element is connected to the side of the housing by beam bridges, as shown in FIG. 2. The annular recess of the diaphragm has the form of two mutually facing conical surfaces. A bimorph piezoelectric element 3 is glued to the annular apex of this recess. A bimof piezoelectric element consists of two piezoceramic disks glued on both sides to a metal membrane. The wires are soldered to the external electrodes of the piezoceramic disks and brought out through the opening of the housing. The membrane also has an opening through which there is a wire from the upper piezoceramic disk.

Электроакустический преобразователь работает следующим образом. При подаче на внешние выводы переменного напряжения биморфный пьезоэлемент совершает изгибные колебания относительно некоторой неподвижной окружности. МаксимальнаяElectro-acoustic transducer operates as follows. When an alternating voltage is applied to the external terminals, the bimorph piezoelectric element performs bending vibrations with respect to some fixed circle. Maximum

амплитуда этих колебаний имеет место в центре и на периферии. Поскольку периферия биморфного пьезоэлемента связана с диафрагмой упомянутым способом, то она будет совершать колебания и излучать звук. Углубление, выполненное на диафрагме, является жесткой фигурой и, следовательно, имеет равномерное распределение амплитуд колебаний, равных амплитуде и фазе колебаниям периферийной части биморфного пьезоэлемента. Биморфный пьезоэлемент, будучи выполненный с двумя пьезокерамическими дисками, колеблется с большей амплитудой, чем в случае исполнения с одним диском. Вследствие этого повышается звуковое давление. Амплитуда колебаний плоских частей диафрагмы распределяется вдоль радиуса от максимума, на внутренней и внешней границах кольцевого углубления, до нуля, в линии соединения с боковой стенкой корпуса и с наружной границей центрального элемента корпуса и, таким образом, вносит дополнительный вклад в повышение звукового давления. Получению более узкой диаграммы направленности в заявляемом решении способствует то, что вследствие отсутствия выпуклой части поверхность равных фаз излученной волны будет более приближена к плоскости.the amplitude of these oscillations takes place in the center and on the periphery. Since the periphery of the bimorph piezoelectric element is connected with the diaphragm in the aforementioned manner, it will oscillate and emit sound. The deepening performed on the diaphragm is a rigid figure and, therefore, has a uniform distribution of the amplitudes of the oscillations equal to the amplitude and phase to the vibrations of the peripheral part of the bimorph piezoelectric element. A bimorph piezoelectric element, being made with two piezoceramic disks, oscillates with a larger amplitude than in the case of a single disc execution. As a result, the sound pressure rises. The oscillation amplitude of the flat parts of the diaphragm is distributed along the radius from the maximum, at the inner and outer borders of the annular recess, to zero, in the connection line with the side wall of the housing and with the outer boundary of the central housing element, and thus makes an additional contribution to the increase in sound pressure. Obtaining a narrower radiation pattern in the claimed solution is facilitated by the fact that due to the absence of a convex part, the surface of the equal phases of the emitted wave will be closer to the plane.

Claims

An electro-acoustic transducer comprising a housing, a bimorph piezoelectric element and a continuous diaphragm, which has a flat annular part connected to the inner side wall of the housing, an annular recess, to the annular top of which is attached a peripheral bimorph piezoelectric element, characterized in that the inner surface of the diaphragm is flat, the central part is connected with the central element of the body, and the bimorph piezoelectric element is made with two piezoelectric disks.