RU2302709C2

RU2302709C2 - Piezoelectric electro-acoustic transformer

Info

Publication number: RU2302709C2
Application number: RU2003128925/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Анатольевич Крамаров (RU); Юрий Анатольевич Крамаров; Александр Анатольевич Панич (RU); Александр Анатольевич Панич; Борис Владимирович Запорожец (RU); Борис Владимирович Запорожец; Андрей Леонидович Крутов (RU); Андрей Леонидович Крутов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Си Технолоджи Инструментс"
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2007-07-10
Also published as: RU2003128925A

Abstract

FIELD: plated piezoelectric electro-acoustic transformers, used as hydrophone.

SUBSTANCE: piezoelectric electro-acoustic transformer contains two bimorph piezoelectric elements, each one of which consists of metallic and piezo-ceramic plates, metallic base, including tubular element and two circular element, sound duct in form of circular resilient rubber element and input for connecting electric signal to generator. Circular elements of the base are provided with circular shelves and hermetically connected to rubber element. External cylindrical surface of the rubber element is in acoustic contact with working substance.

EFFECT: increased reliability of device with preservation of its high sensitivity.

3 dwg

Description

Изобретение относится к пластинчатым пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям и предназначено для использования в гидроакустике в качестве гидрофона.The invention relates to plate piezoelectric electroacoustic transducers and is intended for use in hydroacoustic as a hydrophone.

Известен дисковый пластинчатый пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два биморфных пьезоэлектрических элемента, пассивные части которых сварены вместе, а пьезокерамические пластины через герметизирующую мембрану находятся в акустическом контакте с окружающей средой [1]. Известный преобразователь имеет простую конструкцию, но обладает недостаточной защищенностью от ударных воздействий и недостаточной чувствительностью, так как зажатый по кромке биморфный пьезоэлемент - простое, но неоптимальное конструктивное решение, снижающее эффективную поверхность пьезопреобразователя. Другие известные способы герметизации, например с помощью сильфона, также не обеспечивают достаточную ударозащищенность преобразователя.Known disk plate piezoelectric transducer containing two bimorph piezoelectric elements, the passive parts of which are welded together, and the piezoceramic plates through the sealing membrane are in acoustic contact with the environment [1]. The known transducer has a simple design, but it has insufficient protection against impact and sensitivity, since a bimorph piezoelectric element clamped along the edge is a simple but non-optimal design solution that reduces the effective surface of the piezoelectric transducer. Other known methods of sealing, for example using a bellows, also do not provide sufficient impact protection of the transducer.

Наиболее близким аналогом является гидрофон, содержащий два биморфных пьезоэлектрических элемента, разделенных звукопроводом, находящимся в акустическом контакте с окружающей средой [2].The closest analogue is a hydrophone containing two bimorphic piezoelectric elements separated by a sound duct in acoustic contact with the environment [2].

Устройство компактно, имеет низкую величину гармонического искажения сигнала. Однако известное устройство имеет сложную конструкцию и, как и другие прямоугольные электроакустические преобразователи, недостаточно технологично. Конструкция устройства не обеспечивает его ударопрочность. Эти недостатки снижают надежность устройства, особенно при его применении в геофизических линейных буксируемых антеннах, работающих в старт-стоповом режиме, при котором антенна периодически погружается, ложится на грунт и поднимается.The device is compact, has a low value of harmonic distortion of the signal. However, the known device has a complex structure and, like other rectangular electro-acoustic transducers, not technologically advanced. The design of the device does not provide its impact resistance. These disadvantages reduce the reliability of the device, especially when it is used in geophysical linear towed antennas operating in a start-stop mode, in which the antenna periodically immerses, lays on the ground and rises.

Заявляемый в качестве изобретения пьезоэлектрический электроакустический преобразователь позволяет повысить надежность устройства при сохранении его высокой чувствительности.The inventive piezoelectric electro-acoustic transducer can improve the reliability of the device while maintaining its high sensitivity.

Указанный технический эффект достигается тем, что в пьезоэлектрическом электроакустическом преобразователе, содержащем два биморфных пьезоэлектрических элемента, каждый из которых состоит из металлической и пьезокерамической пластин, звукопровод, расположенный между поверхностями металлических пластин биморфных элементов, металлическое основание и ввод для подключения к формирователю электрического сигнала, биморфные элементы выполнены кольцевыми, основание включает трубчатый элемент и два кольцевых элемента, соосные с биморфными элементами, жестко закрепляющие биморфные элементы на основании и акустически изолирующие внешние поверхности биморфных элементов от рабочей среды, при этом кольцевые элементы основания снабжены кольцевыми выступами, охватывающими внешнюю цилиндрическую поверхность биморфных пластин, звукопровод представляет собой кольцеобразный упругий резиновый элемент, снабженный кольцевыми выступами и герметически соединенный с кольцевыми элементами основания, а внешняя цилиндрическая поверхность резинового элемента находится в акустическом контакте с рабочей средой.The indicated technical effect is achieved by the fact that in a piezoelectric electroacoustic transducer containing two bimorphic piezoelectric elements, each of which consists of a metal and piezoceramic plates, a sound duct located between the surfaces of the metal plates of the bimorph elements, a metal base and an input for connecting to an electric signal shaper are bimorph the elements are circular, the base includes a tubular element and two ring elements, coaxial with bimorph elements that rigidly fix the bimorph elements on the base and acoustically isolate the outer surfaces of the bimorph elements from the working medium, while the ring elements of the base are provided with annular protrusions covering the outer cylindrical surface of the bimorph plates, the sound duct is an annular elastic rubber element provided with annular protrusions and hermetically connected with ring base elements, and the outer cylindrical surface of the rubber element is in acoustic Easy contact with the work environment.

Создание пьезоэлектрического электроакустического преобразователя стало возможным благодаря новой конструкции звукопровода и кольцевых элементов основания, позволяющей осуществить надежную герметизацию внутреннего объема гидрофона и эффективную передачу звуковых колебаний рабочей среды к биморфным пластинам. При этом упругий резиновый элемент, одновременно с надежной герметизацией, производит эффективное преобразование колебаний наружной цилиндрической поверхности в изгибные колебания биморфных элементов благодаря высокому значению коэффициента Пуассона в материале звукопровода. Таким образом сохраняется высокое значение чувствительности преобразователя. Совмещение функций герметизации и передачи звукового сигнала в одном элементе позволило существенно упростить конструкцию устройства, повысить его технологичность и, в конечном счете, получить основной технический эффект изобретения: повышение надежности гидрофона и геофизической антенны.The creation of a piezoelectric electro-acoustic transducer was made possible thanks to the new design of the sound duct and ring base elements, which allows for reliable sealing of the internal volume of the hydrophone and efficient transmission of sound vibrations of the working medium to bimorph plates. At the same time, the elastic rubber element, simultaneously with reliable sealing, effectively converts the vibrations of the outer cylindrical surface into bending vibrations of bimorph elements due to the high value of the Poisson's ratio in the material of the sound duct. Thus, the high sensitivity value of the converter is maintained. The combination of the sealing and transmission of the audio signal in one element allowed us to significantly simplify the design of the device, increase its manufacturability and, ultimately, get the main technical effect of the invention: improving the reliability of the hydrophone and geophysical antenna.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами: фиг.1, 2, 3. На фиг.1 изображен общий вид пьезоэлектрического электроакустического преобразователя. На фиг.2 показана схема установки электроакустического преобразователя в гидрофонном отсеке геофизической антенны. На фиг.3 представлена схема расположения геофизической антенны в рабочем положении.The invention is illustrated by the following description and drawings: figure 1, 2, 3. Figure 1 shows a General view of a piezoelectric electro-acoustic transducer. Figure 2 shows the installation diagram of the electro-acoustic transducer in the hydrophone compartment of the geophysical antenna. Figure 3 presents the location of the geophysical antenna in the working position.

Устройство содержит два кольцевых биморфных элемента 1 и 2, состоящих из металлических пластин 3 и 4 и пьезокерамических пластин 5 и 6. Биморфные элементы 1 и 2 жестко закреплены в основании, включающем трубчатый элемент 7 и два кольцевых элемента 8 и 9. В изображенном на фиг.1 примере выполнения устройства кольцевые элементы 8 и 9 имеют внутренние резьбы разных направлений, а трубчатый элемент 7 снабжен соответствующими наружными резьбами. Кольцевые элементы 8 и 9 снабжены кольцевыми выступами 10 и 11, охватывающими внешние цилиндрические поверхности биморфных элементов 1 и 2. Между металлическими пластинами 3 и 4 биморфных элементов 1 и 2 помещен кольцевой упругий резиновый элемент 12, снабженный кольцевыми выступами 13 и 14, герметично соединенными с выступами 10 и 11 кольцевых элементов основания 8 и 9.The device contains two annular bimorph elements 1 and 2, consisting of metal plates 3 and 4 and piezoceramic plates 5 and 6. The bimorph elements 1 and 2 are rigidly fixed to the base including the tubular element 7 and two ring elements 8 and 9. In the embodiment shown in FIG. .1 an example embodiment of the device, the annular elements 8 and 9 have internal threads of different directions, and the tubular element 7 is provided with corresponding external threads. The annular elements 8 and 9 are provided with annular protrusions 10 and 11, covering the outer cylindrical surfaces of the bimorph elements 1 and 2. Between the metal plates 3 and 4 of the bimorph elements 1 and 2, an annular elastic rubber element 12 is provided, provided with annular protrusions 13 and 14, hermetically connected to protrusions 10 and 11 of the ring elements of the base 8 and 9.

При сборке устройства обеспечивают жесткое закрепление биморфных элементов 1 и 2 между трубчатым элементом 7 и кольцевыми элементами 8 и 9, а также плотное соединение упругого резинового элемента 12 с металлическими пластинами 3 и 4. Внешние электроды пьезокерамических пластин 5 и 6 электрически соединены с вводом 15 для подключения к формирователю электрического сигнала 16.When assembling the device provide rigid fastening of the bimorph elements 1 and 2 between the tubular element 7 and the ring elements 8 and 9, as well as the tight connection of the elastic rubber element 12 with metal plates 3 and 4. The external electrodes of the piezoceramic plates 5 and 6 are electrically connected to the input 15 for connections to the electric signal shaper 16.

Для применения устройства в геофизической антенне 17 (фиг.3) оно закрепляется в гидрофонном отсеке 18 (фиг.2,3) при помощи прижимного кольца 19 и герметизирующих колец 20, надетых на кольцевые элементы основания 8 и 9. В корпусе гидрофонного отсека 18 выполнены прорези 21 для акустического контакта упругого элемента 12 с рабочей средой.To use the device in a geophysical antenna 17 (Fig.3), it is fixed in the hydrophone compartment 18 (Fig.2.3) using the clamping ring 19 and sealing rings 20, worn on the ring elements of the base 8 and 9. In the housing of the hydrophone compartment 18 are made slots 21 for acoustic contact of the elastic element 12 with the working medium.

Геофизическая антенна 17 содержит несколько десятков корпусов, соединенных кабель-тросом. В корпусах, кроме электронной аппаратуры, находится ряд датчиков, в том числе - гидрофоны. Сквозное продольное отверстие трубчатого элемента основания 7 служит для пропускания проводов, соединяющих узлы электронной аппаратуры.The geophysical antenna 17 contains several dozen cases connected by a cable cable. In the buildings, in addition to electronic equipment, there are a number of sensors, including hydrophones. Through the longitudinal hole of the tubular element of the base 7 is used to pass the wires connecting the nodes of the electronic equipment.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Звуковые колебания рабочей среды через прорези 21 передаются на упругий резиновый элемент 12, который преобразует их в изгибные колебания биморфных элементов 1 и 2. Суммарный электрический сигнал с пьезокерамических пластин 5 и 6 поступает через ввод 15 на формирователь 16 для дальнейшей обработки в геофизической аппаратуре.Sound vibrations of the working medium through the slots 21 are transmitted to the elastic rubber element 12, which converts them into bending vibrations of the bimorph elements 1 and 2. The total electrical signal from the piezoceramic plates 5 and 6 is fed through input 15 to the former 16 for further processing in geophysical equipment.

Изгибный преобразователь с опорой в центральной части имеет большую эффективную поверхность, чем преобразователи с закрепленной или опертой внешней кромкой, что обеспечивает высокую чувствительность предложенного устройства.A bending transducer with a support in the central part has a larger effective surface than transducers with a fixed or supported outer edge, which ensures high sensitivity of the proposed device.

Кроме того, новая конструкция позволяет сочетать в предложенном устройстве преимущества центрального закрепления биморфных элементов с высокой ударозащищенностью гидрофона и, следовательно, обеспечить высокую надежность геофизической антенны, работающей в старт-стоповом режиме.In addition, the new design allows you to combine in the proposed device the advantages of the central fastening of the bimorph elements with high shock resistance of the hydrophone and, therefore, to ensure high reliability of the geophysical antenna operating in start-stop mode.

Источники информацииInformation sources

1. Богородский В.В. и др. Подводные электроакустические преобразователи. Расчет и проектирование. Справочник. Л.: "Судостроение", 1983, стр.104, 105.1. Bogorodsky VV and other underwater electro-acoustic transducers. Calculation and design. Directory. L .: "Shipbuilding", 1983, p. 104, 105.

2. Патент США №5675556, М. Кл. Н04R 17/00, 1997.2. US Patent No. 5675556, M. Cl. H04R 17/00, 1997.

Claims

A piezoelectric electro-acoustic transducer containing two bimorphic piezoelectric elements, each of which consists of a metal and piezoelectric ceramic plates, a sound duct located between the surfaces of the metal plates of the bimorph elements, a metal base and an input for connecting an electric signal to the shaper, characterized in that the bimorph elements are circular. the base includes a tubular element and two annular elements, coaxial with bimorph elements, rigidly fixed bimorph elements on the base and acoustically insulating the outer surfaces of the bimorph elements from the working medium, while the ring elements of the base are provided with annular protrusions covering the outer cylindrical surface of the bimorph plates, the sound duct is an annular elastic rubber element provided with annular protrusions and hermetically connected to the ring elements of the base and the outer cylindrical surface of the rubber element is in acoustic contact with the working medium.