RU2079977C1

RU2079977C1 - Pin-type piezoid

Info

Publication number: RU2079977C1
Application number: RU94017152A
Authority: RU
Inventors: Б.С. Аронов; Г.Х. Голубева
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор"
Priority date: 1994-05-10
Filing date: 1994-05-10
Publication date: 1997-05-20

Abstract

FIELD: hydroacoustic equipment. SUBSTANCE: pin-type half-wave piezoid has electrodes deposited on side surfaces; symmetrical sections of side surfaces near ends of piezoid are free from electrodes and electrode size is 0.4-0.85 of half the wavelength of sound in piezoceramic pin. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области проектирования электроакустической аппаратуры, в частности антенн, содержащих пьезоэлектрические преобразователи. The invention relates to the field of designing electro-acoustic equipment, in particular antennas containing piezoelectric transducers.

Известны и широко применяются пьезоэлектрические преобразователи, состоящие из пьезоэлементов, совершающих продольные колебания по высоте стержней или по ширине пластин из пьезоэлектрической керамики с использованием продольного или поперечного пьезоэффекта, у которых электроды нанесены на торцовые или боковые поверхности, соответственно такие пьезоэлементы называют стержневыми [1]
При работе в обратимом режиме эффективность преобразователей характеризуется двумя факторами: наибольшей допустимой излучаемой акустической мощностью W_{ак.макс.} и значением чувствительности в режиме приема γ_xx при условии согласования внутреннего сопротивления преобразователя (его электрической емкости) с приемным трактом.Piezoelectric transducers are known and widely used, consisting of piezoelectric elements that perform longitudinal vibrations along the height of the rods or across the width of the piezoelectric ceramic plates using longitudinal or transverse piezoelectric effect, in which the electrodes are applied to the end or side surfaces, respectively, such piezoelectric elements are called rod [1]
When operating in a reversible mode, the efficiency of the transducers is characterized by two factors: the largest permissible radiated acoustic power W _acmax. and the sensitivity value in the reception mode γ _xx provided that the internal resistance of the converter (its electric capacitance) is matched with the receiving path.

Максимальная удельная акустическая мощность (W_ак.уд. W_ак.уд./S, где S площадь излучающей поверхности) преобразователей рассматриваемого типа определяется их динамической механической плотностью. В то же время по электрической прочности у стержневых преобразователей имеется запас, и если при улучшении условия электрического согласования с приемным трактом происходит ухудшение электромеханического преобразования, то значение W_{ак.макс.} может быть достигнуто за счет увеличения в некоторых пределах электрического напряжения на преобразователе.The maximum specific acoustic power (W _ac.aud.W _ac.aud./S , where S is the area of the emitting surface) of the transducers of this type is determined by their dynamic mechanical density. At the same time, the rod converters have a margin of electric strength, and if, when the conditions of electric matching with the receiving path improve, the electromechanical conversion worsens, then the value of W _acmax. can be achieved by increasing, within certain limits, the voltage on the converter.

Учитывая, что W_{ак.макс.} определяется динамической прочностью конструкции и не зависит от мер по электрическому согласованию преобразователя с приемным трактом, можно ввести коэффициент, характеризующий изменение эффективности преобразователя, при таком согласовании (обозначим его А) с помощью соотношения
A = γ_xx/W_эл., ...(1)
где
γ_xx чувствительность преобразователя, значение которого изменяется при изменении его сопротивления (емкости);
W_эл. электрическая мощность, которую надо сообщать преобразователю для обеспечения значения W_{ак.макс.}
Воспользовавшись соотношением

, где K_эф. эффективный коэффициент связи преобразователя, приведем выражение (1) к виду:

Таким образом, при неизменном в процессе электрического согласования значении W_{ак.макс.} общая эффективность обратимого преобразователя определяется значением произведения

Потенциально наибольшей эффективностью обладают преобразователи, состоящие из пьезоэлементов, на длине которых укладывается половина длины волны звуковых колебаний (полуволновые преобразователи), работающие с использованием продольного пьезоэффекта. Однако применение таких пьезоэлементов ограничено областью относительно высоких (100 кгц) частот, поскольку при резонансном размере l с/2 f_p (с скорость звука в керамике, f_p частота, соответствующая полуволновому резонансу) большем, чем (1,0-1,5) см, пьезокерамику трудно качественно заполяризовать (l 1,2 см, соответствует f_p 110 кГц).Given that W _acmax. is determined by the dynamic strength of the structure and does not depend on measures for the electrical coordination of the converter with the receiving path, you can enter a coefficient characterizing the change in the efficiency of the converter, with this coordination (we denote it by A) using the relation
A = γ _xx / W _email , ...(1)
Where
γ _{xx is the} sensitivity of the transducer, the value of which changes when its resistance (capacitance) changes;
W _email the electric power that must be communicated to the converter to ensure the value of W _ac.max.
Using the ratio

where K _eff. effective coupling coefficient of the converter, we bring expression (1) to the form:

Thus, when the value of W _ac.max remains unchanged during the electrical matching _process. the total efficiency of a reversible transducer is determined by the value of the product

The transducers consisting of piezoelectric elements, the half wavelength of sound vibrations (half-wave transducers) operating using the longitudinal piezoelectric effect, are potentially of the greatest efficiency. However, the use of such piezoelectric elements is limited to the region of relatively high (100 kHz) frequencies, since at a resonant size l s / 2 f _p (c the speed of sound in ceramics, f _{p the} frequency corresponding to a half-wave resonance) is greater than (1.0-1.5 ) cm, piezoceramic is difficult to polarize qualitatively (l 1.2 cm, corresponds to f _p 110 kHz).

При необходимости работы на частотах ниже 100 кГц в преобразователях с использованием продольного пьезоэффекта приходится применять пьезоэлементы секционированной конструкции. Однако, наличие клеевых соединений в пьезоэлементе приводит к резкому уменьшению динамической прочности преобразователя и, соответственно, значения W_{ак.макс}. Введение же упрочняющих конструктивных элементов приводит к усложнению преобразователя и уменьшению его эффективности.If it is necessary to operate at frequencies below 100 kHz in transducers using a longitudinal piezoelectric effect, piezoelectric elements of a partitioned design have to be used. However, the presence of adhesive joints in the piezoelectric element leads to a sharp decrease in the dynamic strength of the transducer and, accordingly, the value of W _acmax . The introduction of reinforcing structural elements leads to the complexity of the Converter and reduce its effectiveness.

С учетом этого при работе на частотах ниже 100 кГц становится целесоообразным применять полуволновые пьезоэлементы с электродами на боковых поверхностях механической системы, работающей с использованием поперечного пьезоэффекта. With this in mind, when operating at frequencies below 100 kHz, it becomes advisable to use half-wave piezoelectric elements with electrodes on the side surfaces of a mechanical system operating using a transverse piezoelectric effect.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является стержневой пьезоэлемент, содержащий полуволновой пьезокерамический стержень и два электрода, нанесенные на его противоположные боковые поверхности [1]
Недостатком такого пьезоэлемента является относительно малое значение чувствительности при его работе в режиме приема при значении емкости, превышающем необходимое для оптимального согласования с приемным трактом, а стало быть уменьшенная эффективность.The closest in technical essence to the proposed one is a rod piezoelectric element containing a half-wave piezoelectric ceramic rod and two electrodes deposited on its opposite side surfaces [1]
The disadvantage of such a piezoelectric element is the relatively small value of sensitivity when it is in reception mode with a capacitance value exceeding that necessary for optimal matching with the receiving path, and therefore reduced efficiency.

Технический результат от использования изобретения состоит в увеличении эффективности работы обратимого преобразователя за счет увеличения его чувствительности в режиме приема при улучшении условия согласования с приемным трактом. The technical result from the use of the invention is to increase the efficiency of the reversible converter by increasing its sensitivity in the receiving mode while improving the matching conditions with the receiving path.

Данный технический результат достигается за счет того, что симметричные участки боковых поверхностей вблизи торцов пьезоэлемента свободны от электродов, а размер электродов составляет 0,4-0,85 от половины длины волны звука в пьезокерамическом стержне. This technical result is achieved due to the fact that the symmetric sections of the side surfaces near the ends of the piezoelectric element are free of electrodes, and the size of the electrodes is 0.4-0.85 of half the wavelength of sound in the piezoceramic rod.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2 где на фиг. 1 представлены конструкция пьезоэлемента, на фиг. 2 приведены зависимости, характеризующие эффективность предлагаемого пьезоэлемента при работе в обратном режиме. The invention is illustrated in FIG. 1, 2 where in FIG. 1 shows the construction of a piezoelectric element; FIG. 2 shows the dependencies characterizing the effectiveness of the proposed piezoelectric element when operating in the reverse mode.

Пьезоэлемент представляет собой полуволновый пьезокерамический стержень 1 с электродами в виде полос 2, расположенных на боковых поверхностях симметрично относительно среднего сечения 3. Электрические выводы 4 присоединены к электродам и служат для подачи на пьезоэлемент рабочего напряжения. Ширина электродов Δ составляет 0,4-0,85 от резонансного размера стержня, т.е. от половины длины звуковой волны в нем. The piezoelectric element is a half-wave piezoelectric ceramic rod 1 with electrodes in the form of strips 2 located symmetrically on the side surfaces relative to the middle section 3. Electrical leads 4 are connected to the electrodes and serve to supply the working voltage to the piezoelectric element. The width of the electrodes Δ is 0.4-0.85 of the resonant size of the rod, i.e. from half the length of the sound wave in it.

Работа преобразователя происходит следующим образом. На преобразователь через электрические выводы подается электрическое напряжение, необходимое для излучения заданной акустической мощности. Максимальный уровень излучаемой мощности, определяемый динамической прочностью преобразователя, остается неизменным, если при изменении ширины электрода подводимое напряжение изменять в соответствии с зависимостью 1 на фиг. 2, что допустимо, поскольку у стержневого пьезоэлемента имеется значительный запас электрической прочности. The operation of the Converter is as follows. The electrical voltage necessary for the emission of a given acoustic power is supplied to the converter through the electrical leads. The maximum level of radiated power, determined by the dynamic strength of the converter, remains unchanged if, when the electrode width is changed, the applied voltage is changed in accordance with dependence 1 in FIG. 2, which is permissible, since the rod piezoelectric element has a significant margin of electric strength.

При этом условии изменения эффективности преобразователя при работе в обратном режиме определяется изменением его чувствительности в режиме приема, отнесенной к потребляемой в режиме излучения электрической мощности (зависимость II на фиг. 2). При изменении соответственно условиям согласования с конкретным приемным трактом емкости преобразователя путем уменьшения относительной ширины электродов D/l в пределах до 0,85-0,4 достигается увеличение чувствительности преобразователя в режиме приема и общей его эффективности в обратном режиме в соответствии с зависимостями III и II на фиг. 3. Уменьшать отношение Δ/l ниже значения 0,4 нецелесообразно, поскольку при незначительном увеличении чувствительности и сохранении некоторого выигрыша по коэффициенту общей эффективности, при этом происходит общий рост электрического рабочего напряжения. Under this condition, changes in the efficiency of the converter when operating in reverse mode is determined by a change in its sensitivity in the reception mode, related to the electric power consumed in the radiation mode (dependence II in Fig. 2). When changing, according to the conditions of matching with the specific receiving path, the capacitance of the converter by reducing the relative width of the electrodes D / l in the range of 0.85-0.4, an increase in the sensitivity of the converter in the receiving mode and its overall efficiency in the reverse mode is achieved in accordance with dependencies III and II in FIG. 3. Reducing the ratio Δ / l below a value of 0.4 is impractical, since with a slight increase in sensitivity and maintaining some gain in the coefficient of overall efficiency, a general increase in the electric operating voltage occurs.

Изменять размер электрода в пределах 1>Δ/l> 0,85 нецелесообразно, поскольку несущественное увеличение чувствительности, которое при этом происходит, не оправдывает технологического усложнения, связанного с нанесением электрода не на полную высоту. Changing the size of the electrode within 1> Δ / l> 0.85 is impractical, since the insignificant increase in sensitivity, which occurs in this case, does not justify the technological complication associated with applying the electrode not to full height.

Итак, при уменьшении в определенных пределах размеров электродов происходит увеличение эффективности пьезоэлемента при работе в обратимом режиме (зависимость IV фиг. 2). So, when the size of the electrodes is reduced to a certain extent, the piezoelectric element increases in efficiency when operating in the reversible mode (dependence IV of Fig. 2).

Отметим, что сделанный вывод качественно сохраняется, если поверхности с электродами не параллельны, а находятся под малым углом друг к другу. Note that the conclusion reached is qualitatively preserved if the surfaces with the electrodes are not parallel, but are at a small angle to each other.

Claims

A rod piezoelectric element containing a half-wave piezoelectric ceramic rod and two electrodes deposited on its opposite side surfaces, characterized in that the symmetrical portions of the side surfaces near the ends of the piezoelectric element are free from electrodes and the size of the electrodes is 0.4 0.85 half the wavelength of sound in the piezoceramic rod.