RU2561341C2 - Электроакустический преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим преобразователям, снабженным мембраной. Преобразователь содержит генератор, цилиндрический корпус, соосно расположенные в нем круглый биморфный пьезоэлемент с выпуклой мембраной над ним и общий плоский кольцевой держатель, снабженный у основания выпуклой мембраны отштампованным на нем кольцевым V-образным диффузором с углом раскрытия от 15 до 60 град в радиальном сечении. Дно диффузора жестко соединено с пьезоэлементом, общий плоский кольцевой держатель жестко закреплен на внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Корпус выполнен из упругого материала с волновым сопротивлением больше волнового сопротивления материала общего плоского кольцевого держателя. Технический результат - повышение уровня акустического давления. 2 ил.

Description

Изобретение относится к пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям и может использоваться в качестве источника акустических колебаний, например, в системах оповещения, пожарной и охранной сигнализации, эхолокации, медицине, экологии.

Известен электроакустический преобразователь, содержащий генератор переменного напряжения, цилиндрический корпус (в аналоге не упомянут как несущественный для него признак, показано лишь его основание), соосно расположенные в нем круглый биморфный пьезоэлемент с выпуклой мембраной над ним и общий плоский кольцевой держатель (RU 2014758 С1 5, H04R 17/00, 15.06.94).

Технический недостаток известного электроакустического преобразователя: обладает недостаточно высоким звуковым давлением излучаемых колебаний вследствие крепления центральной части пьезоэлемента на корпусе, работает только на резонансной частоте и излучает акустические колебания с широкой, более 30 град, диаграммой направленности, корпус является поглотителем поступающих от пьезоэлемента механических колебаний.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и решаемой задаче является электроакустический преобразователь, содержащий генератор переменного напряжения, цилиндрический корпус, соосно расположенные в нем круглый биморфный пьезоэлемент с выпуклой мембраной над ним и общий плоский кольцевой держатель, соединенный по наружной окружности с внутренней стенкой цилиндрического корпуса (RU 71496 U1 6, H04R 17/00, 10.03.2008).

Технический недостаток известного электроакустического преобразователя: обладает недостаточно высоким звуковым давлением излучаемых колебаний вследствие крепления периферии мембраны и пьзоэлемента к цилиндрическому корпусу посредством общего плоского кольцевого держателя, несмотря на некоторое участие в излучении общего плоского кольцевого держателя; работает только на резонансной частоте и излучает акустические колебания с широкой, более 30 град, диаграммой направленности, не предусмотрено для увеличения звукового давления отражение цилиндрическим корпусом в тело выпуклой мембраны поступающих от пьезоэлемента механических колебаний, что возможно только при особых свойствах материала цилиндрического корпуса и виде соединения с ним общего плоского кольцевого держателя.

Техническая задача: повышение акустического давления излучаемых колебаний, обеспечение работы в диапазонах звуковых и ультразвуковых частот, сужение диаграммы направленности излучения акустических колебаний на ультразвуковых частотах, отражение корпусом к мембране поступающих от пьезоэлемента механических колебаний.

Согласно изобретению в электроакустическом преобразователе общий плоский кольцевой держатель снабжен у основания выпуклой мембраны отштампованным на нем кольцевым V-образным диффузором с углом раскрытия от 15 до 60 град в радиальном сечении, дно которого жестко соединено с биморфным пьезоэлементом по его периферии, общий плоский кольцевой держатель жестко закреплен на внутренней поверхности цилиндрического корпуса из упругого материала с волновым сопротивлением больше волнового сопротивления материала общего плоского кольцевого держателя.

На фиг.1 показан электроакустический преобразователь, общий вид в диаметральном сечении.

Электроакустический преобразователь содержит генератор переменного напряжения 1, цилиндрический корпус 2 из упругого материала (сталь и т.п.), соосно расположенные в нем круглый биморфный пьезоэлемент 3 с выпуклой мембраной 4 над ним, общий плоский кольцевой держатель 5, жестко закрепленный на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 2 и снабженный отштампованным на нем кольцевым V-образным диффузором 6 с углом раскрытия от 15 до 60 град в радиальном сечении, дно 7 которого жестко соединено с биморфным пьезоэлементом 3 по его периферии, ось 8 (симметрии), основание 9 (обозначено пунктиром) выпуклой мембраны 4.

В исходном состоянии генератор 1 выключен. Устройство не излучает электроакустические колебания.

Электроакустический преобразователь может работать в двух диапазонах излучаемых колебаний:

- излучение колебаний в спектре звуковых частот;

- излучение колебаний в спектре ультразвуковых частот.

В диапазоне звуковых частот на биморфный пьезоэлемент 3 подают от генератора 1 напряжение звуковой частоты. Биморфный пьезоэлемент 3 отдает возникшие в нем механические колебания звуковой частоты кольцевому V-образному диффузору 6, который совершает с выпуклой мембраной 4 возвратно-поступательные колебания со звуковой частотой вдоль оси 8 устройства, причем механические колебания биморфного пьезоэлемента 3 вызывают одновременные перемещения всех точек поверхности выпуклой мембраны 4 и кольцевого V-образного диффузора 6. При этом изгибные колебания на участке от дна кольцевого V-образного диффузора 6 до внутренней поверхности цилиндрического корпуса 2 уменьшаются к некоторому минимуму. В данном случае общий плоский кольцевой держатель 5 выполняет преимущественно функции диафрагменной пружины, обеспечивая оптимальные условия для работы выпуклой мембраны 4 и кольцевого V-образного диффузора 6 на звуковых частотах с повышенным звуковым давлением до 140 дБ.

В диапазоне ультразвуковых частот на биморфный пьезоэлемент 3 подают от генератора 1 напряжение ультразвуковой частоты. На фиг. 2 показан принцип формирования механических и акустических колебаний на ультразвуковых частотах. В результате подачи переменного напряжения ультразвуковой частоты на биморфный пьезоэлемент 3 на его периферии появляются механические колебания, которые передаются дну кольцевого V-образного диффузора 6, преобразующего механические колебания в акустические колебания исходной фазы 1Ф, которые распространяются вдоль оси 8 устройства.

Далее от периферии биморфного пьезоэлемента 3 механические колебания распространяются по телу выпуклой мембраны 4 к ее вершине. При резонансах в теле выпуклой мембраны 4 формируются стоячие механические волны с разной фазой. Преобразованные выпуклой мембраной 4 механические колебания в акустические также имеют сдвиг по фазе 2Ф, 3Ф, 4Ф. Вокруг выпуклой мембраны формируются акустические колебания кольцевой формы, распространяющиеся вдоль оси 8 устройства. Ввиду сдвига по фазе акустические колебания 1Ф, 2Ф, 3Ф, 4Ф встречаются одновременно в верхней части выпуклой мембраны 4, образуя плоский фронт акустической ультразвуковой волны повышенного звукового давления до 140 дБ и с узкой диаграммой направленности не более 30 град. Этому способствует отражение цилиндрическим корпусом 2, благодаря жесткому креплению к нему общего плоского кольцевого держателя 5 и выполнению цилиндрического корпуса 2 из упругого материала с волновым сопротивлением больше волнового сопротивления материала общего плоского кольцевого держателя, механических колебаний биморфного пьезоэлемента 3, поступающих на него по кольцевому V-образному диффузору 6 и общему плоскому кольцевому держателю 5, к выпуклой мембране 4 последовательно по общему плоскому кольцевому держателю 5 и кольцевому V-образному диффузору 6. При этом, чем выше частота ультразвуковых колебаний, тем уже диаграмма направленности. Диаграмма направленности также зависит от конфигураций кольцевого V-образного диффузора 6 и выпуклой мембраны 4. Количество фиксированных излучаемых частот акустических колебаний соответствует количеству резонансных стоячих механических волн, формирующихся в электроакустическом преобразователе.

Таким образом, вследствие того, что в электроакустическом преобразователе общий плоский кольцевой держатель снабжен у основания выпуклой мембраны отштампованным на нем кольцевым V-образным диффузором с углом раскрытия от 15 до 60 град в радиальном сечении, дно которого жестко соединено с биморфным пьезоэлементом по его периферии, и жестко закреплен на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, который выполнен из упругого материала с волновым сопротивлением больше волнового сопротивления материала общего плоского кольцевого держателя, повышено акустическое давление, обеспечена работа устройства в диапазонах звуковых и ультразвуковых частот с узкой диаграммой направленности излучения на ультразвуковых частотах, обеспечено отражение корпусом к мембране поступающих от пьезоэлемента механических колебаний для увеличения звукового давления.

В результате исследований установлено, что электроакустический преобразователь на частоте 7 кГц имеет диаграмму направленности 60 град, на частоте 17 кГц - 30 град, на частоте 24 кГц - 5 град при звуковом давлении 140 дБ, что аналогично параметрам сложной акустической фазированной решетки. Было установлено также, что данное изобретение, работающее, например, на частоте основного резонанса 3 кГц позволяет получить акустическое излучение еще на 10 резонансных частотах до 20 кГц. Обнаружены резонансы на частотах выше 20 кГц.

Claims (1)

1. Электроакустический преобразователь, содержащий генератор переменного напряжения, цилиндрический корпус, соосно расположенные в нем круглый биморфный пьезоэлемент с выпуклой мембраной над ним и общий плоский кольцевой держатель, отличающийся тем, что общий плоский кольцевой держатель снабжен у основания выпуклой мембраны отштампованным на нем кольцевым V-образным диффузором с углом раскрытия от 15 до 60 град в радиальном сечении, дно которого жестко соединено с биморфным пьезоэлементом по его периферии, общий плоский кольцевой держатель жестко закреплен на внутренней поверхности цилиндрического корпуса из упругого материала с волновым сопротивлением больше волнового сопротивления материала общего плоского кольцевого держателя.

Images