RU2123180C1 - Flexural-vibration ultrasonic transducer for gaseous media - Google Patents
Flexural-vibration ultrasonic transducer for gaseous media Download PDFInfo
- Publication number
- RU2123180C1 RU2123180C1 RU95111760A RU95111760A RU2123180C1 RU 2123180 C1 RU2123180 C1 RU 2123180C1 RU 95111760 A RU95111760 A RU 95111760A RU 95111760 A RU95111760 A RU 95111760A RU 2123180 C1 RU2123180 C1 RU 2123180C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bimorph element
- piezoelectric
- bimorph
- disk
- piezoelectric disk
- Prior art date
Links
Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля материалов и изделий, осуществляемого через газовую среду, а именно к конструкциям ультразвуковых (УЗ) преобразователей, и может использоваться в технике УЗ локации и управления объектами в воздухе, измерения толщины тонколистовых материалов, измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах и бункерах, контроля температуры воздуха, определения концентрации газов и прочее. The invention relates to the field of ultrasonic non-destructive testing of materials and products carried out through a gaseous medium, and in particular to structures of ultrasonic (ultrasonic) transducers, and can be used in the technique of ultrasonic location and control of objects in the air, measuring the thickness of sheet materials, measuring the level of liquid and granular media in tanks and bunkers, monitoring air temperature, determining gas concentrations, etc.
Существует много типов УЗ преобразователей для газовых сред, в том числе пьезоэлектрических, работающих на толщинных, диаметральных продольных колебаниях, а также на изгибных колебаниях /Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемеры. Приборы и системы управления,а 1975, N 7, стр. 19-20 // Масса Ф. Ультразвуковые преобразователи для работы в воздухе. Труды инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Русский перевод с англ., 1965, стр. 28-33 // Домаркас В.И., Машонис А.П., Петраускас А.И. Измерительные преобразователи для газовых сред. Труды IX Всесоюзной акустической конференции. М., АН СССР, 1977, Серия II, стр. 149-152/. Наиболее эффективными из них, лучше согласованными с газовой средой и конструктивно простыми являются преобразователи, работающие на изгибных колебаниях тонких биморфных элементов в виде двух- и трехслойных пластин, имеющих форму диска или прямоугольника, чаще диска. Обычно биморфный элемент представляет собой либо два тонких диска из пьезоэлектрического материала непосредственно скрепленных между собой, например, склеенных торцами, либо тонкий металлический диск из бериллия, алюминия или стали с расположенными на одном или обоих торцах тонкими пьезоэлектрическими дисками. Если биморфный элемент имеет два диска из пьезоэлектрического материала, то они скрепляются друг с другом или с тонким металлическим диском таким образом, чтобы векторы их поляризации были направлены встречно. Биморфный элемент закрепляется в корпусе преобразователя либо по узловой линии биморфного элемента, либо по краям его торцевой поверхности /Масса Ф. Ультразвуковые преобразователи для работы в воздухе. Труды инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Русский перевод с англ., 1965, N 3, стр. 28-33/, либо по центральной линии его боковой поверхности /Тамулис А. В. , Милюс П.Б., Буткус П.Ю. Электроакустический преобразователь изгибных колебаний. Авт. св. N 1577874, СССР, МКИ B 06 B 1/06; H 04 R 17/00; Б.И., 1990, N 26, стр. 200/. Недостатком существующих преобразователей на изгибных колебаниях для газовых сред - аналогов и наиболее близкого по конструктивному исполнению аналога /Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемеры. Приборы и системы управления, 1975, N 7, стр. 19-20/ - является узкая полоса рабочих частот и недостаточно высокая эффективность, хотя и более высокая, чем у УЗ преобразователей для газовых сред, работающих на толщинных и диаметральных продольных колебаниях. Последнее обусловлено несогласованностью биморфного элемента с газовой средой по удельному акустическому импедансу. Между тем, для решения некоторых задач неразрушающего контроля изделий, например, автоматизированного бесконтактного УЗ контроля полимерно-композиционных толстостенных крупногабаритных цилиндрических оболочек со сложной геометрией внутренней поверхности чрезвычайно эффективными являются сложномодулированные УЗ зондирующие сигналы, имеющие широкий спектр (50 кГц + 10 кГц). Осуществить эффективные излучение и прием таких зондирующих УЗ сигналов известные преобразователи для газовых сред на изгибных колебаниях не позволяют. Не позволяет этого и УЗ преобразователь на изгибных колебаниях для газовых сред, взятый в качестве ближайшего аналога /Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемеры. Приборы и системы управления, 1975, N 7, стр. 19-20/ и содержащий корпус с закрепленным в нем биморфным элементом в виде тонкого металлического диска с расположенным на одном из его торцов пьезоэлектрическим диском, а также рупор. Он обладает узкой полосой рабочих частот и недостаточно эффективен из-за несогласованности с газовой средой по акустическому импедансу. Его эффективность можно несколько увеличить известным способом, использовав согласующий элемент, например, перфорированную пластину, установленную от биморфного элемента на расстоянии много меньше λв/2, где λв - длина УЗ волны на рабочей частоте биморфного элемента в газовой среде (в воздухе).There are many types of ultrasonic transducers for gaseous media, including piezoelectric, operating on thick, diametrical longitudinal vibrations, as well as on bending vibrations / Smirnovsky A.G. Sonar level gauges. Instruments and control systems, and 1975, N 7, pp. 19-20 // Mass F. Ultrasonic transducers for work in the air. Proceedings of engineers in electrical engineering and electronics. Russian translation from English, 1965, pp. 28-33 // Domarkas V.I., Mashonis A.P., Petrauskas A.I. Measuring transducers for gaseous media. Proceedings of the IX All-Union Acoustic Conference. M., Academy of Sciences of the USSR, 1977, Series II, pp. 149-152 /. The most efficient of them, better coordinated with the gaseous medium and structurally simple, are transducers operating on the bending vibrations of thin bimorph elements in the form of two- and three-layer plates having the shape of a disk or a rectangle, more often a disk. Typically, a bimorph element is either two thin disks of piezoelectric material directly bonded to each other, for example, glued with ends, or a thin metal disk of beryllium, aluminum or steel with thin piezoelectric disks located on one or both ends. If a bimorph element has two disks made of piezoelectric material, then they are fastened to each other or to a thin metal disk so that their polarization vectors are directed opposite. A bimorph element is fixed in the transducer housing either along the nodal line of the bimorph element or along the edges of its end surface / Mass F. Ultrasonic transducers for operation in air. Proceedings of engineers in electrical engineering and electronics. Russian translation from English., 1965, N 3, pp. 28-33 /, or along the central line of its lateral surface / Tamulis A.V., Milyus P.B., Butkus P.Yu. Electro-acoustic transducer of bending vibrations. Auth. St. N 1577874, USSR, MKI B 06 B 1/06; H 04 R 17/00; B.I., 1990, N 26, p. 200 /. The disadvantage of existing converters on bending vibrations for gaseous media - analogues and the closest in design analogue / Smirnovsky A.G. Sonar level gauges. Instruments and Control Systems, 1975, N 7, pp. 19-20 / - is a narrow band of operating frequencies and not high enough efficiency, although higher than that of ultrasonic transducers for gaseous media operating on thick and diametrical longitudinal vibrations. The latter is due to the inconsistency of the bimorph element with the gaseous medium in terms of specific acoustic impedance. Meanwhile, to solve some problems of non-destructive testing of products, for example, automated non-contact ultrasonic testing of polymer-composite thick-walled large-sized cylindrical shells with complex internal surface geometry, complex-modulated ultrasonic probing signals having a wide spectrum (50 kHz + 10 kHz) are extremely effective. Known converters for gaseous media on bending vibrations do not allow efficient radiation and reception of such sounding ultrasonic signals. Does not allow this and the ultrasonic transducer on bending vibrations for gaseous media, taken as the closest analogue / Smirnovsky A.G. Sonar level gauges. Instruments and control systems, 1975, N 7, pp. 19-20 / and containing a housing with a bimorph element fixed in it in the form of a thin metal disk with a piezoelectric disk located at one of its ends, as well as a horn. It has a narrow band of operating frequencies and is not effective enough due to inconsistency with the gas environment in terms of acoustic impedance. Its efficiency can be somewhat increased in a known manner by using a matching element, for example, a perforated plate mounted from a bimorph element at a distance much less than λ in / 2, where λ in is the ultrasonic wavelength at the operating frequency of the bimorph element in a gas medium (in air).
Задачей изобретения является расширение полосы рабочих частот известного УЗ преобразователя на изгибных колебаниях для газовых сред при одновременном повышении его эффективности. The objective of the invention is to expand the operating frequency band of the known ultrasonic transducer on bending vibrations for gas environments while increasing its efficiency.
Поставленная задача решается тем, что в УЗ преобразователе на изгибных колебаниях для газовых сред, содержащем корпус с закрепленным в нем по периметру биморфным элементом в виде тонкого металлического диска с соосно расположенным на одном из его торцов тонким пьезоэлектрическим диском и рупор, реализованы следующие технические решения:
1) пьеэоэлектрический диск биморфного элемента выполнен диаметром, меньшим λиf max/2, где λиf max - длина волны изгибных колебаний биморфного элемента на его верхней рабочей частоте; в металлическом диске биморфного элемента выполнены радиальные прорези вне площади сопряжения с пьезоэлектрическим диском; биморфный элемент закреплен в корпусе с сохранением его открытой рабочей поверхности, в которой каждая пара противолежащих секторов, образованных прорезями, выполнена с отличным от смежных пар секторов радиусом;
2) со стороны рабочего и тыльного торцов биморфного элемента установлены металлические экраны на расстоянии много меньше λв/2, где λв - длина волны УЗ колебаний в газовой среде (в воздухе) на его верхней рабочей частоте, причем экран у рабочего торца имеет по центру согласующий элемент диаметром, равным диаметру пьезоэлектрического диска; заметим, что функцию металлического экрана с тыльной стороны биморфного элемента может играть дно корпуса УЗ преобразователя;
3) тонкий металлический диск биморфного элемента выполнен диаметром больше nλиf min, n = 3, 5, 7,... и на торцах каждой пары противолежащих секторов металлического диска биморфного элемента, образованных радиальными прорезями, расположены части пьезоэлектрического кольца соосно с металлическим диском, имеющие внутренний и внешний диаметры соответственно больший или равный λиn/2, меньший или равный λиn/2+kλиn, где k = 1, 3, 5,..., λиn - длина волны изгибных колебаний на резонансной частоте "n"-ой пары противолежащих секторов биморфного элемента, образованных его радиальными прорезями, причем пьезоэлектрический диск биморфного элемента подключен ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, а части пьезоэлектрического кольца - к его выходу; эквивалентным этому техническому решению является другое решение, при котором на другом торце тонкого металлического диска биморфного элемента расположен соосно другой пьезоэлектрический диск, идентичный первому, причем один из пьезоэлектрических дисков подключен ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, другой - к его выходу.The problem is solved in that in an ultrasonic transducer on bending vibrations for gaseous media containing a housing with a bimorph element fixed in it along the perimeter in the form of a thin metal disk with a thin piezoelectric disk and a horn coaxially located at one of its ends, the following technical solutions are implemented:
1) the piezoelectric disk of the bimorph element is made with a diameter smaller than λ and f max / 2, where λ and f max is the wavelength of the bending vibrations of the bimorph element at its upper operating frequency; radial slots are made in the metal disk of the bimorph element outside the interface area with the piezoelectric disk; the bimorph element is fixed in the housing with the preservation of its open working surface, in which each pair of opposite sectors formed by slots is made with a radius different from the adjacent pairs of sectors;
2) metal screens are installed on the side of the working and rear ends of the bimorph element at a distance much less than λ in / 2, where λ in is the wavelength of ultrasonic vibrations in a gaseous medium (in air) at its upper working frequency, and the screen at the working end has the center matching element with a diameter equal to the diameter of the piezoelectric disk; note that the bottom of the body of the ultrasonic transducer can play the function of a metal screen from the back of the bimorph element;
3) a thin metal disk of a bimorph element is made with a diameter larger than nλ and f min , n = 3, 5, 7, ... and at the ends of each pair of opposite sectors of the metal disk of the bimorph element formed by radial slots, parts of the piezoelectric ring are aligned with the metal disk, having inner and outer diameters respectively greater than or equal to λ and n / 2, less than or equal to λ and n / 2 + kλ and n , where k = 1, 3, 5, ..., λ and n is the wavelength of bending vibrations at the resonant frequency "n "th pair of opposite sectors of the bimorph element, images their radial slots, and the piezoelectric disk of the bimorph element is connected to the input of the amplifier with an adjustable gain and phase-shifting circuit, and part of the piezoelectric ring to its output; equivalent to this technical solution is another solution in which a piezoelectric disk identical to the first one is located coaxially on the other end of the thin metal disk of the bimorph element, and one of the piezoelectric disks is connected to the input of the amplifier with an adjustable gain and phase-shifting circuit, and the other to its output.
На чертеже приведена конструктивная схема предложенного УЗ преобразователя на изгибных колебаниях для газовых сред, имеющего широкую полосу рабочих частот и высокую эффективность, и приняты следующие обозначения: 1 - корпус; 2 - тонкий металлический диск биморфного элемента из бериллия, титана, алюминия или стали; 3, 4 - пьезоэлектрические диски биморфного элемента, скрепленные, например склеенные соосно с торцами металлического диска 2 биморфного элемента; 9, 10 - металлические шайбы, например из свинца, для закрепления биморфного элемента и имеющие внутреннее отверстие, конфигурация и размеры которого выбраны из условия обеспечения требуемой амплитудно-частотной характеристики УЗ преобразователя; 5 - согласующий элемент, например, перфорированная пластина, установленная от биморфного элемента на расстоянии много меньше λв/2, 6 - рупор; 7, 8 - металлические экраны, образующие совместно с торцами биморфного элемента резонансные тонкие газовые слои; биморфный элемент имеет радиальные прорези 11, делящие его на пары противолежащих секторов, каждая из которых имеет свою резонансную амплитудно-частотную характеристику.The drawing shows a structural diagram of the proposed ultrasonic transducer on bending vibrations for gaseous media having a wide band of operating frequencies and high efficiency, and the following notation: 1 - case; 2 - a thin metal disk of a bimorph element from beryllium, titanium, aluminum or steel; 3, 4 - piezoelectric disks of a bimorph element, bonded, for example, glued coaxially with the ends of the metal disk 2 of the bimorph element; 9, 10 - metal washers, for example of lead, for fixing a bimorph element and having an internal hole, the configuration and dimensions of which are selected from the condition for ensuring the required amplitude-frequency characteristic of the ultrasonic transducer; 5 - matching element, for example, a perforated plate mounted from a bimorph element at a distance much less than λ in / 2, 6 - mouthpiece; 7, 8 - metal screens, forming, together with the ends of the bimorph element, resonant thin gas layers; the bimorph element has radial slots 11, dividing it into pairs of opposite sectors, each of which has its own resonant amplitude-frequency characteristic.
Предложенный УЗ преобразователь на изгибных колебаниях для газовых сред работает в режиме приема следующим образом. УЗ колебания, падающие на биморфный элемент из газовой среды через рупор 6 и согласующий элемент 5, возбуждают в нем изгибные колебания по диаметру, что приводит к возникновению на пьезоэлектрических дисках 3 и 4 электрических сигналов тем больших, чем больше амплитуда изгибных колебаний биморфного элемента. Электрические сигналы с пьезоэлектрических дисков обычно, как в решении, принятом за ближайший аналог, поступают на регистрирующий прибор. Вследствие закрепления биморфного элемента не по окружности (один резонансный размер по диаметру), а по более сложному контуру, он приобретает свойство широкополосности - свойство достаточно эффективно принимать сигналы УЗ колебаний в широкой полосе частот, поскольку каждая из пар противолежащих секторов биморфного элемента, имеющих один диаметр резонирует на своей собственной частоте, отличающейся от резонансных частот других пар. При этом ширина полосы рабочих частот биморфного элемента и ее форма зависят от числа пар таких секторов, их диаметра и размера по дуге. The proposed ultrasonic transducer on bending vibrations for gaseous media operates in the reception mode as follows. Ultrasonic vibrations incident on the bimorph element from the gaseous medium through the horn 6 and matching element 5 excite bending vibrations in diameter in it, which leads to the appearance of electric signals on the piezoelectric disks 3 and 4, the larger the greater the amplitude of the bending vibrations of the bimorph element. Electrical signals from piezoelectric disks usually, as in the decision adopted for the closest analogue, are fed to a recording device. Due to the fastening of the bimorphic element not around the circumference (one resonant size in diameter), but over a more complex contour, it acquires the property of broadband - the property is quite effective to receive ultrasonic signals in a wide frequency band, since each of the pairs of opposite sectors of the bimorph element having one diameter resonates at its own frequency, different from the resonant frequencies of other pairs. Moreover, the bandwidth of the operating frequencies of the bimorph element and its shape depend on the number of pairs of such sectors, their diameter and size along the arc.
Важно отметить, что центральный участок биморфного элемента с размещенными на нем пьезоэлектрическими дисками 3, 4 является общим для всех пар секторов, резонирующих на разных частотах, поэтому эффективно принимаются УЗ колебания разных частот, падающие на этот участок из газовой среды через упор 6 и согласующий элемент 5. Имеющиеся в тонком металлическом диске 2 биморфного элемента радиальные прорези 11 исключают на участках по обе стороны от этих прорезей возникновение паразитных контурных колебаний вследствие неодинаковости амплитуд и фаз колебаний смежных пар противолежащих секторов биморфного элемента, резонирующих на разных частотах, что повышает эффективность предложенного широкополосного УЗ преобразователя. В еще большей степени повышает эффективность предложенного УЗ преобразователя наличие тонких резонансных воздушных слоев между торцами биморфного элемента металлическими экранами 7, 8. Эти слои играют роль акустических резонаторов и при работе УЗ преобразователя в режиме приема УЗ колебаний из газовой среды накапливают в полосе рабочих частот биморфного элемента преобразователя энергию УЗ колебаний, переизлучаемых в воздух рабочим и тыльными торцами бимофрного элемента, и возвращают эту энергию ему обратно, дополнительно синфазно подвозбуждая его в принимаемой полосе частот УЗ колебаний. Для обеспечения синфазности подвозбуждения биморфного элемента в полосе его рабочих частот необходимо, чтобы металлические экраны были установлены на расстоянии h от торца биморфного элемента, удовлетворяющем условию h можно меньше λвf max/2. Вследствие выполнения тонкого металлического диска биморфного элемента предложенного УЗ преобразователя диаметром больше λиf min/2 закрепление биморфного элемента удаляется от его центрального рабочего участка с пьезоэлектрическими дисками 3, 4, что ведет к увеличению диаметра узловой окружности центрального участка биморфного элемента, и как следствие, к увеличению амплитуды колебаний центрального участка биморфного элемента, к его лучшему согласованию с газовой средой, т.е. к дальнейшему повышению эффективности предложенного преобразователя. Следует заметить, что указанное техническое решение достигает поставленной цели только при таком конструктивном выполнении преобразователя, когда со стороны рабочего и тыльного торцов биоморфного элемента имеются тонкие резонансные воздушные слои и прием УЗ колебаний осуществляется только центральным участком биморфного элемента. Отметим также, что выполняя биморфный элемент диаметром большим или равным nλиf min/2, мы реализуем условие, при котором его рабочая частота является "n"-ой гармоникой его диаметральных колебаний.It is important to note that the central section of the bimorph element with the piezoelectric disks 3, 4 placed on it is common for all pairs of sectors resonating at different frequencies, therefore, ultrasonic vibrations of different frequencies incident on this section from the gaseous medium through the stop 6 and matching element are effectively received 5. The radial slots 11 present in the thin metal disk 2 of the bimorph element exclude the occurrence of spurious contour oscillations in the areas on both sides of these slots due to the difference in amplitudes and oscillation phases of adjacent pairs of opposite sectors of a bimorph element resonating at different frequencies, which increases the efficiency of the proposed broadband ultrasonic transducer. The presence of thin resonant air layers between the ends of the bimorph element by the metal screens 7, 8 increases the efficiency of the proposed ultrasonic converter even more. These layers play the role of acoustic resonators and, when the ultrasonic converter operates in the mode of receiving ultrasonic vibrations from the gas medium, they accumulate in the operating frequency band of the bimorph element transducer energy of ultrasonic vibrations re-emitted into the air by the working and rear ends of the bimofra element, and return this energy back to it, additionally in phase with overexciting it in the accepted frequency band of ultrasonic vibrations. In order to ensure that the bimorphic element is excited in phase in the band of its operating frequencies, it is necessary that the metal screens are installed at a distance h from the end face of the bimorph element satisfying the condition h, it is possible less than λ in max / 2. Due to the thin metal disk of the bimorph element of the proposed ultrasonic transducer with a diameter greater than λ and f min / 2, the fastening of the bimorph element is removed from its central working section with piezoelectric disks 3, 4, which leads to an increase in the diameter of the nodal circle of the central section of the bimorph element, and, as a result, an increase in the amplitude of vibrations of the central portion of the bimorph element, to its better agreement with the gaseous medium, i.e. to further increase the efficiency of the proposed Converter. It should be noted that the indicated technical solution achieves the goal only with such a constructive design of the converter, when there are thin resonant air layers on the side of the working and rear ends of the biomorphic element and ultrasonic vibrations are received only in the central section of the bimorph element. We also note that by fulfilling a bimorphic element with a diameter greater than or equal to nλ and f min / 2, we realize the condition under which its operating frequency is the "n" -th harmonic of its diametrical vibrations.
И, наконец, устанавливая на торцах (рабочем или тыльном) каждой пары противолежащих секторов биморфного элемента, образованных его радиальными прорезями, части пьезоэлектрических колец с внутренним и внешним диаметрами соответственно большим или равным λиn/2, меньшим или равным λиn/2+kλиn и подключая пьезоэлектрические диски центрального участка биморфного элемента ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления (N = 550) и фазосдвигающей цепью, а отмеченные части пьезоэлектрических колец - к его выходу, мы реализуем положительную электромеханическую обратную связь между центральным участком биморфного элемента и его периферийными кольцевыми зонами, находящимися в "k"-той пучности изгибных колебаний биморфного элемента. Наличие в предложенном преобразователе положительной электромеханической обратной связи при приеме ультразвуковых сигналов приводит к увеличению амплитуды изгибных колебаний центрального участка биморфного элемента за счет его дополнительного синфазного подвозбуждения изгибными колебаниями периферийных частей пьезоэлектрических колец биморфного элемента, а следовательно, к улучшению его согласования с газовой средой. Регулируя коэффициент усиления отмеченного усилителя, можно осуществить практически полное согласование предложенного УЗ преобразователя с газовой средой. Существенным достоинством этого УЗ преобразователя в сравнении с известными аналогами и ближайшим аналогом является возможность изменять форму его амплитудно-частотной характеристики. Для этого усилитель выполняется известным образом с возможностью регулировки коэффициента усиления по отдельным резонансным частотам каждой из пар противолежащих секторов биморфного элемента. Эквивалентным по достигаемому результату описанному выше техническому решению, осуществляющему положительную электромеханическую обратную связь между частями биморфного элемента, но конструктивно более простым является техническое решение, при котором на центральных участках обоих торцов тонкого металлического диска биморфного элемента размещаются скрепленные с ним идентичные с ним пьезоэлектрические диски диаметром меньше λиf max/2 и один из них подключается ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, а другой - к его выходу. Заметим, что при этом решении коэффициент усиления усилителя требуется в 2-5 раз большим, чем при первом решении.And, finally, installing at the ends (working or back) of each pair of opposite sectors of the bimorph element formed by its radial slots, parts of the piezoelectric rings with inner and outer diameters respectively greater than or equal to λ and n / 2, less than or equal to λ and n / 2 + kλ and n and attaching the piezoelectric discs of the central portion of the bimorph element to the input of the amplifier with adjustable amplification factor (N = 550) and the phase-shifting circuit, and the marked portion of the piezoelectric rings - to the outlet, we implement Positive electromechanical feedback between the central portion of the bimorph element and its peripheral annular zones located in the "k" -th antinode of bending vibrations of the bimorph element. The presence of positive electromechanical feedback in the proposed transducer when receiving ultrasonic signals leads to an increase in the amplitude of the bending vibrations of the central portion of the bimorph element due to its additional in-phase excitation by the bending vibrations of the peripheral parts of the piezoelectric rings of the bimorph element, and therefore to an improvement in its coordination with the gas medium. By adjusting the gain of the marked amplifier, it is possible to achieve almost complete coordination of the proposed ultrasonic transducer with the gas medium. A significant advantage of this ultrasonic converter in comparison with the known analogues and the closest analogue is the ability to change the shape of its amplitude-frequency characteristics. For this, the amplifier is performed in a known manner with the ability to adjust the gain for individual resonant frequencies of each of the pairs of opposite sectors of the bimorph element. The technical solution described above, equivalent to the achieved result, that provides positive electromechanical feedback between the parts of the bimorph element, but structurally simpler is the technical solution, in which the piezoelectric disks with diameter identical to it attached to it are attached to it on the central sections of the thin metal disk of the bimorph element, and f λ max / 2 and one of them is connected to the input of an amplifier with an adjustable gain and phase shifter her chain, and the other - to the output. Note that with this solution, the gain of the amplifier is required 2-5 times larger than with the first solution.
Предложенный преобразователь в сравнении со всеми аналогами и ближайшим аналогом относительно его существенных признаков как в независимой, так и зависимых пунктах формулы обеспечивает большой положительный эффект, а именно, позволяет:
1. Значительно расширить полосу рабочих частот за счет закрепления биморфного элемента в корпусе не по окружности, а по более сложному контуру.The proposed converter in comparison with all analogues and the closest analogue with respect to its essential features in both independent and dependent claims provides a large positive effect, namely, it allows:
1. Significantly expand the operating frequency band by fixing the bimorph element in the housing not along the circumference, but along a more complex contour.
2. Очень просто изменять ширину полосы рабочих частот и форму амплитудно-частотной характеристики. Для этого в УЗ преобразователе достаточно заменить одну пару крепящих шайб (позиции 9, 10) на другую с иной формой отверстия (с другим числом пар противолежащих секторов, с другими их радиусами и размерами по дуге). 2. It is very simple to change the operating frequency bandwidth and the shape of the amplitude-frequency characteristic. To do this, in the ultrasonic transducer it is enough to replace one pair of mounting washers (positions 9, 10) with another with a different hole shape (with a different number of pairs of opposite sectors, with their different radii and sizes along the arc).
3. Достигнуть максимально возможной эффективности в режиме приема во всей полосе рабочих частот за счет: а) выполнения центрального пьезоэлектрического диска биморфного элемента меньше λиf max/2 ; б) выполнения тонкого металлического диска биморфного элемента с радиальными прорезями; в) создания на рабочем и тыльном торцах биморфного элемента акустических резонаторов в виде очень тонких воздушных слоев; г) введения положительной электромеханической обратной связи между отдельными частями биморфного элемента.3. To achieve the highest possible efficiency in the reception mode in the entire band of operating frequencies due to: a) the central piezoelectric disk of the bimorph element is less than λ and f max / 2; b) performing a thin metal disk of a bimorph element with radial slots; c) creating on the working and back ends of the bimorph element of acoustic resonators in the form of very thin air layers; d) the introduction of positive electromechanical feedback between the individual parts of the bimorph element.
4. Существенно сдвинуть в область более высоких частот (до 100 кГц) наибольшую рабочую частоту при сохранении высокой эффективности за счет выполнения биморфного элемента с диаметром, при котором рабочие частоты преобразователя являются гармониками противолежащих секторов этого элемента. 4. It is essential to shift to the region of higher frequencies (up to 100 kHz) the highest operating frequency while maintaining high efficiency due to the implementation of a bimorph element with a diameter at which the operating frequencies of the converter are harmonics of opposite sectors of this element.
5. В широких пределах менять форму амплитудно-частотной характеристики путем регулирования коэффициента усиления усилителя положительной электромеханической обратной связи на резонансных частотах отдельных пар противолежащих секторов биморфного элемента. 5. Within a wide range, change the shape of the amplitude-frequency characteristic by adjusting the gain of the amplifier of positive electromechanical feedback at the resonant frequencies of individual pairs of opposite sectors of the bimorph element.
Достигаемый по сравнению с ближайшим аналогом больший положительный эффект подтверждает изобретательский уровень. Преобразователь имеет простую конструкцию, малые габариты, вес, стоимость и практически легко реализуем, в том числе и при серийном производстве. Особенно эффективен предложенный УЗ преобразователь в режиме приема. Он легко может быть выполнен и для работы в диапазоне звуковых частот (до 20 кГц). Изготовлен рабочий макет предложенного УЗ преобразователя. Подтверждены его высокая эффективность и широкополосность. Разработаны рабочие чертежи АП 26386.000. The greater positive effect achieved in comparison with the closest analogue confirms the inventive step. The converter has a simple design, small dimensions, weight, cost and is practically easy to implement, including in serial production. Especially effective is the proposed ultrasonic transducer in receive mode. It can easily be made to work in the range of sound frequencies (up to 20 kHz). A working model of the proposed ultrasonic transducer was made. Confirmed its high efficiency and broadband. Working drawings of AP 26386.000 are developed.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95111760A RU2123180C1 (en) | 1995-07-06 | 1995-07-06 | Flexural-vibration ultrasonic transducer for gaseous media |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95111760A RU2123180C1 (en) | 1995-07-06 | 1995-07-06 | Flexural-vibration ultrasonic transducer for gaseous media |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU95111760A RU95111760A (en) | 1997-06-20 |
| RU2123180C1 true RU2123180C1 (en) | 1998-12-10 |
Family
ID=20169893
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU95111760A RU2123180C1 (en) | 1995-07-06 | 1995-07-06 | Flexural-vibration ultrasonic transducer for gaseous media |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2123180C1 (en) |
-
1995
- 1995-07-06 RU RU95111760A patent/RU2123180C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Смирновский А.Г. Приборы и системы управления, 1975, N 7, с.19, 20. 2. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU95111760A (en) | 1997-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Miao et al. | Shear horizontal wave transducers for structural health monitoring and nondestructive testing: A review | |
| US4333028A (en) | Damped acoustic transducers with piezoelectric drivers | |
| US4051455A (en) | Double flexure disc electro-acoustic transducer | |
| Li et al. | Implementing guided wave mode control by use of a phased transducer array | |
| US5452267A (en) | Midrange ultrasonic transducer | |
| US3849679A (en) | Electroacoustic transducer with controlled beam pattern | |
| US5363345A (en) | Process and electro-acoustic transducers for transmitting low-frequency acoustic waves in a liquid | |
| US5726952A (en) | Sound or ultrasound sensor | |
| JP2798501B2 (en) | Sound or ultrasonic transducer | |
| Je et al. | A stepped-plate bi-frequency source for generating a difference frequency sound with a parametric array | |
| JP3062170B2 (en) | Sound conversion device | |
| JP3416648B2 (en) | Acoustic transducer | |
| US6070468A (en) | Micromachined ultrasonic leaky wave air transducers | |
| RU2123180C1 (en) | Flexural-vibration ultrasonic transducer for gaseous media | |
| EP0039986B1 (en) | An acoustic transducer system | |
| US5515343A (en) | Electro-acoustic transducers comprising a flexible and sealed transmitting shell | |
| RU2127474C1 (en) | Flexural-vibration ultrasonic transducer for gaseous atmospheres | |
| RU2115117C1 (en) | Ultrasonic converter for operation in gaseous atmosphere | |
| WO2020048974A1 (en) | Transducer for non-invasive measurement | |
| Hay et al. | Flexible piezopolymer ultrasonic guided wave arrays | |
| Hwang et al. | A precise equivalent-circuit model for a circular plate radiator | |
| RU2739967C1 (en) | Ultrasonic transducer | |
| JP3455585B2 (en) | Aerial ultrasonic transducer | |
| RU2700031C1 (en) | Multi-frequency receiving-emitting antenna device | |
| RU2038867C1 (en) | Ultrasonic receiver-radiating device for operation in gaseous atmosphere |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090707 |