RU2649041C2

RU2649041C2 - Electroacoustic piezoceramic transducer

Info

Publication number: RU2649041C2
Application number: RU2016137697A
Authority: RU
Inventors: Владимир Борисович Комиссаренко
Original assignee: Владимир Борисович Комиссаренко
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-03-29
Also published as: RU2016137697A; RU2016137697A3

Abstract

FIELD: acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to acoustics, in particular to electro-acoustic piezoelectric transducers. Electroacoustic piezoceramic transducer, comprising a body, coaxially sequentially fastened diffuser holder, diffuser and packages of two piezoceramic bimorphs with interbimorph binding nodes, the transducer is characterized in that between the top of the diffuser and the body, with the help of central fixing racks, two or more packages, each of them consisting of piezoceramic bimorphs connected along the periphery by binding nodes, are fixed, separated by a central fixing rack, electrically connected in such a way that when applying an alternating voltage of a predetermined frequency, piezoceramic bimorphs in packages bent in opposite directions, transferring mechanical vibrations to the top of the diffuser with amplitude, equal to the sum of the vectors + h of all piezoceramic bimorphs.

EFFECT: technical result is an increase in the acoustic pressure and an increase in the efficiency of the device.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электроакустическим пьезоэлектрическим преобразователям, работающим на фиксированной частоте и может использоваться в качестве источника акустических колебаний с повышенным давлением, например, в системах звукового оповещения, пожарной и охранной организации, сигнализаторов в радио средствах различного назначения, излучателей акустических колебаний дальнего действия в акустических пушках.The invention relates to electro-acoustic piezoelectric transducers operating at a fixed frequency and can be used as a source of acoustic vibrations with increased pressure, for example, in sound warning systems, fire and security organizations, signaling devices in radio means for various purposes, long-range acoustic oscillators in acoustic guns .

Известен электроакустический пьезокерамический преобразователь, содержащий корпус, соосно последовательно скрепленные диффузор и пьезокерамический биморфный элемент (далее биморф), стойки между ним и корпусом (Лекции Интерфейсные электронные схемы. С. 47, рис. 40 Б. -Known electro-acoustic piezoelectric transducer containing a housing, coaxially sequentially fastened diffuser and a piezoceramic bimorph element (hereinafter bimorph), racks between it and the housing (Lectures Interface electronic circuits. P. 47, Fig. 40 B. -

https://wwwgoog1e.ru/ur1?sa=t&rct=j&g=&esrc=s&sourse=web&cd=1&ved=0ahUKEwj-https://wwwgoog1e.ru/ur1?sa=t&rct=j&g=&esrc=s&sourse=web&cd=1&ved=0ahUKEwj-

3_r15tvOAhWF1ywKHduzBYsQFggdMAA&ur1=http%3A%2F%fep.tti.sfedu.ru%2Frussian%2Fkes%2Fsubjects%2FC_MST%2Flections.doc&usg=AFQjGNGU8SyVpcxiX311410yjOHNDFETkDg&sig2=ygAL9WLIMfXZ1elt1XleeA&cad=rit) Технический недостаток известного электроакустического пьезокерамического преобразователя: обладает слабым акустическим давлением излучаемых колебаний, низким коэффициентом полезного действия (КПД), согласно описания на резонансной частоте биморфа, значительная часть энергии поглощается эластичным материалом под биморфом.3_r15tvOAhWF1ywKHduzBYsQFggdMAA & ur1 = http% 3A% 2F% fep.tti.sfedu.ru% 2Frussian% 2Fkes% 2Fsubjects% 2FC_MST% 2Flections.doc & usg = AFQjGNGU8SyVpcxiX311410yjOHNDFETkDg & sig2 = ygAL9WLIMfXZ1elt1XleeA & cad = rit) Technical disadvantage of the known electroacoustic piezoceramic transducer: has a weak acoustic pressure radiated oscillations, low coefficient efficiency (efficiency), according to the description at the resonant frequency of the bimorph, a significant part of the energy is absorbed by the elastic material under the bimorph.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и решаемой задаче является электроакустический пьезокерамический преобразователь, содержащий корпус, соосно последовательно скрепленные диффузородержатель, диффузор и пакет из двух сегнетоэлектрических биморфов с межбиморфным периферийным узлом скрепления (Жук М. Современная пьезоаппаратура. Радио №3, 1947 г., рис 12.The closest to the claimed invention by its technical essence and the problem to be solved is an electro-acoustic piezoceramic transducer containing a housing coaxially sequentially fastened with a diffuser, a diffuser and a package of two ferroelectric bimorphs with inter-bimorph peripheral fastening unit (Zhuk M. Modern piezo equipment. Radio No. 3, 1947. , fig. 12.

Технический недостаток известного электроакустического преобразователя состоит в том, что биморфы работают с изгибом в одном направлении, что увеличивает их общую механическую мощность колебаний, но не производит сложение амплитуд биморфов. В результате низкого КПД невозможно получить высокое акустическое давление.The technical disadvantage of the known electro-acoustic transducer is that bimorphs work with bending in one direction, which increases their total mechanical power of the vibrations, but does not add up the amplitudes of the bimorphs. As a result of low efficiency, it is not possible to obtain high acoustic pressure.

Техническая задача: значительно увеличить акустическое давление до значений не менее 120 децибел на метр на фиксированных акустических частотах за счет увеличения амплитуды механических колебаний, подводимых к вершине диффузора, улучшения КПД, увеличение дальности действия, акустического пьезокерамического преобразователя.Technical task: to significantly increase the acoustic pressure to values of at least 120 decibels per meter at fixed acoustic frequencies by increasing the amplitude of mechanical vibrations supplied to the top of the diffuser, improving efficiency, increasing the range of the acoustic piezoceramic transducer.

Согласно изобретению электроакустический пьезокерамический преобразователь, содержащий корпус, соосно последовательно скрепленные диффузородержатель, диффузор, пакеты, состоящие из двух пьезокерамических биморфов с периферийными узлами скрепления, скрепленные между собой внутренней центральной стойкой, с помощью внешних центральных стоек соединенные с одной стороны с корпусом устройства, с другой стороны с вершиной диффузора, пьезокерамические биморфы в пакетах, соединенные электрически таким образом, чтобы при подаче к ним переменных электрических колебаний резонансной частоты пьезокерамические биморфы изгибались в противоположных направлениях, увеличивая амплитуду механических колебаний диффузора. На фиг. 1 показан электроакустический пьезокерамический преобразователь, общий вид в осесимметричном сечении, он содержит корпус 1, соосно последовательно скрепленные диффузородержатель 2, диффузор 3 и два (возможно и более двух) пакета 4 и 8, состоящих из двух биморфов 5 с межбиморфными периферийными узлами скрепления 6, центральную, скрепляющую пакеты 4 и 8 стойку 9, центральную внешнюю стойку крепления 7 пакетов 4 и 8 с корпусом 1, центральную внешнюю стойку прикрепления 11, пьезокерамического биморфа 4 с вершиной диффузора 3, электрической цепи питания 10, пьезокерамических биоморфов 4 и 8 соединенную с ними таким образом, чтобы при подаче к пьезокерамическим биморфам 4 и 8 переменных электрических колебаний они изгибались в противоположных направлениях.According to the invention, an electro-acoustic piezoceramic transducer comprising a housing coaxially sequentially fastened to a diffuser holder, a diffuser, packages consisting of two piezoceramic bimorphs with peripheral fastening nodes, fastened together by an internal central strut, connected via external central struts on one side to the device body, on the other the sides with the apex of the diffuser, piezoceramic bimorphs in packets, connected electrically so that when applying to them The electric vibrations of the resonance frequency of the piezoceramic bimorphs bent in opposite directions, increasing the amplitude of the mechanical vibrations of the diffuser. In FIG. 1 shows an electroacoustic piezoceramic transducer, a general view in an axisymmetric section, it contains a housing 1, coaxially sequentially fastened diffuser 2, a diffuser 3 and two (possibly more than two) packages 4 and 8, consisting of two bimorphs 5 with interbimorphic peripheral fastening nodes 6, the central fastening rack 4 and 8 of the rack 9, the central external rack of fastening 7 packages 4 and 8 with the housing 1, the central external rack of fastening 11, a piezoceramic bimorph 4 with the top of the diffuser 3, the electrical power circuit 10, piezoceramic biomorphs 4 and 8 connected to them so that when applying to the piezoceramic bimorphs 4 and 8 of variable electrical vibrations, they bend in opposite directions.

На фиг. 2 показаны изгибы пьезокерамических биморфов при положительном полупериоде переменных, электрических колебаний резонансной частоты, подаваемых по электрической цепи 10, векторы изгиба h и векторы смещения центральных точек пьезокерамических биморфов + h относительно нейтрального положения (при отрицательном полупериоде векторы изгиба h и векторы смещения центральных точек пьезокерамических биморфов - h в обратном направлении относительно нейтрального положения не показаны). На фиг. 3 показан фрагмент синусоиды колебаний вершины диффузора со значениями амплитуды, при положительном полупериоде, равной сумме (Σ+h), и амплитуды при отрицательном полупериоде, равной сумме Σ(-h). В исходном состоянии, Фиг. 1, пьезокерамические биморфы 5 в пакетах 4 и 8 находятся в нейтральном положении, параллельно друг к другу состоянии; вершина диффузора 3 занимает положение на уровне «0» Фиг. 3; электрические колебания не подаются по электрической цепи 10 к пьезокерамическим биморфам 5 и диффузор 3, не излучает акустические колебания. Электроакустический пьезокерамический преобразователь работает следующим образом. По электрической цепи 10, соединяющей пьезокерамические биморфы 5 пакетов 4 и 8, подаются переменные 4In FIG. Figure 2 shows the bends of the piezoceramic bimorphs with a positive half-period of variables, the electrical oscillations of the resonant frequency supplied through the electric circuit 10, the bending vectors h and the displacement vectors of the center points of the piezoceramic bimorphs + h relative to the neutral position (for a negative half-period, the bending vectors h and the displacement vectors of the central points of the piezoceramic bimorphs - h in the opposite direction from the neutral position are not shown). In FIG. Figure 3 shows a fragment of the sinusoid of oscillation of the diffuser vertex with the values of the amplitude, with a positive half-cycle equal to the sum (Σ + h), and the amplitude with a negative half-cycle, equal to the sum Σ (-h). In the initial state, FIG. 1, piezoceramic bimorphs 5 in packets 4 and 8 are in a neutral position, parallel to each other; the top of the diffuser 3 occupies a position at the level “0” of FIG. 3; electrical vibrations are not fed through the electric circuit 10 to the piezoceramic bimorphs 5 and the diffuser 3 does not emit acoustic vibrations. Electro-acoustic piezoelectric transducer operates as follows. On the electrical circuit 10 connecting the piezoceramic bimorphs 5 packages 4 and 8, the variables 4

электрические колебания резонансной частоты. В пьезокерамических биморфах 5 пакетов 4 и 8 возникают механические резонансные колебания, изгибающие пьезокерамические биморфы 5 в пакетах 4 и 8 в противоположных направлениях.electrical vibrations of a resonant frequency. In the piezoceramic bimorphs 5 of packets 4 and 8, mechanical resonant vibrations occur, bending the piezoceramic bimorphs 5 in packets 4 and 8 in opposite directions.

При положительном полупериоде векторы изгиба h направлены в противоположных направлениях и пакеты 4 и 8 становятся двояковыпуклыми. При этом амплитуды всех векторов + h складываются и направлены к вершине диффузора 3 задавая на нем положительную амплитуду, равную сумме векторов + h всех пьезокерамических биморфов, то есть Σ(+h).With a positive half-cycle, the bending vectors h are directed in opposite directions and packets 4 and 8 become biconvex. In this case, the amplitudes of all vectors + h are added up and directed to the top of diffuser 3, setting on it a positive amplitude equal to the sum of vectors + h of all piezoceramic bimorphs, i.e., Σ (+ h).

При отрицательном полупериоде переменных электрических колебаний, пьезокерамические биморфы 5, в пакетах 4 и 8 становятся двояковогнутыми. При этом амплитуды векторов, складываясь, направлены от вершины диффузора, 3, задавая в нем отрицательную амплитуду, равную –h, всех пьезокерамических биморфов, то есть Σ(-h).With a negative half-period of alternating electrical vibrations, the piezoceramic bimorphs 5, in packets 4 and 8 become biconcave. In this case, the amplitudes of the vectors, folding, are directed from the top of the diffuser, 3, setting in it a negative amplitude equal to –h of all piezoceramic bimorphs, that is, Σ (-h).

Таким образом, за счет увеличения амплитуды колебаний диффузора 3 на резонансной частоте пьезокерамических биморфов 5 пакетов 4 и 8 получено значительное увеличение звукового давления и КПД акустического преобразователя.Thus, due to an increase in the amplitude of oscillations of the diffuser 3 at the resonant frequency of the piezoceramic bimorphs 5 of packets 4 and 8, a significant increase in the sound pressure and efficiency of the acoustic transducer is obtained.

Практически установлено, что с понижением используемой частоты акустических колебаний необходимо увеличение амплитуды механических колебаний, подводимых к диффузору, что требует увеличение количества последовательно соединенных пакетов из пьезокерамических биморфов.It has been practically established that with a decrease in the used frequency of acoustic vibrations, an increase in the amplitude of mechanical vibrations supplied to the diffuser is necessary, which requires an increase in the number of series-connected packages of piezoceramic bimorphs.

Claims

An electro-acoustic piezoceramic transducer comprising a body, a coaxially sequentially bonded diffuser, a diffuser and packages of two piezoceramic bimorphs with inter-bimorph fastening nodes, characterized in that between the top of the diffuser and the body, using central fastening racks, two or more packages consisting of each of two piezoceramic are fixed bimorphs connected on the periphery by fastening nodes, separated by a central fastening rack, electrically connected in this way m, so that when an alternating voltage of a given frequency is applied, the piezoceramic bimorphs in the packets bend in opposite directions, transmitting mechanical vibrations to the top of the diffuser with an amplitude equal to the sum of the vectors + h of all piezoceramic bimorphs.