RU2706823C1

RU2706823C1 - Device for excitation of piezoelectric acoustic transducers

Info

Publication number: RU2706823C1
Application number: RU2019108519A
Authority: RU
Inventors: Владимир Борисович Комиссаренко
Original assignee: Владимир Борисович Комиссаренко
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2019-11-21

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: use for excitation of piezoelectric acoustic transducers. Summary of invention consists in the fact that device for exciting piezoelectric acoustic transducers consists of an electric oscillation generator, the output of which is connected to a series inductive capacitive oscillatory circuit, to the capacitance of which a piezoceramic transducer is connected, at that, to the output power amplifiers of the driving generator of rectangular electric oscillations identical electrical circuits are connected, consisting of series-connected parallel inductance-capacitance oscillatory circuit tuned to the second harmonic of electric oscillations of the master oscillator, series inductance-capacitance oscillatory circuit, design capacity of which is replaced by the sum of internal capacitors, connected to each other by a group of piezoelectric acoustic transducers, having equal resonant frequency with frequency of electric oscillations of the master oscillator, between which and power amplifiers phase changers are included, which enable to scan acoustic vibrations in vertical and horizontal planes.

EFFECT: possibility of maximally full use of energy of series inductive-capacitance oscillatory circuit for excitation of group of piezoelectric acoustic transducers, as well as increase of device efficiency.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электроники и применяется в качестве источника резонансного напряжения и тока для возбуждения пьезоэлектрических акустических преобразователей, применяющихся в фазированных акустических решетках устройств дальнего действия работающих в звуковом и ультразвуковом спектре частот. Может применяться в акустической эхолокации, устройствах охранной, пожарной, тревожной сигнализации, научных исследованиях.The invention relates to the field of electronics and is used as a source of resonant voltage and current for exciting piezoelectric acoustic transducers used in phased acoustic arrays of long-range devices operating in the sound and ultrasonic frequency spectrum. It can be used in acoustic echolocation, burglar, fire, alarm, scientific research.

Известно устройство для возбуждения пьезоэлементов электрических преобразователей в котором, с целью увеличения напряжения питания газоразрядной лампы, пьезоэлектрический преобразователь подключен к емкости последовательного колебательного контура вместе с нагрузкой. Патент US 7, 683, 554 В2.A device for exciting piezoelectric elements of electrical converters is known in which, in order to increase the supply voltage of a gas discharge lamp, the piezoelectric transducer is connected to the capacitance of a series oscillatory circuit together with the load. US patent 7, 683, 554 B2.

Технический недостаток аналога: частичное, не полное использование энергии последовательного, индуктивно-емкостного, колебательного контура, так как происходит разветвление тока через емкость, пьезоэлемент и нагрузку. Последовательно соединены два последовательных колебательных контура, что вносит дополнительные потери и уменьшает КПД.The technical drawback of the analogue is the partial, incomplete use of the energy of a series, inductive-capacitive, oscillatory circuit, as the current branches out through the capacitance, the piezoelectric element, and the load. Two successive oscillatory circuits are connected in series, which introduces additional losses and reduces the efficiency.

Наиболее близким, к заявленному изобретению по технической сущности и решаемой задаче, является прототип, устройство для возбуждения пьезоэлементов электрических преобразователей, содержащее генератор переменного тока резонансной частоты, к выходу которого подключен последовательный, индуктивно-емкостный колебательный контур, к емкости которого подключен пьезоэлемент электрического преобразователя с диодно-емкостной нагрузкой. Патент US 3683210. 1970 г.Closest to the claimed invention in terms of technical nature and the problem being solved is a prototype device for exciting piezoelectric elements of electrical converters, comprising a resonant frequency alternating current generator, to the output of which is connected a serial, inductive-capacitive oscillatory circuit, to the capacitance of which a piezoelectric element of an electric transducer with diode-capacitive load. US patent 3683210. 1970.

Технический недостаток прототипа: как в аналоге, пьезоэлемент электрического преобразователя и нагрузка подключены к емкости последовательного колебательного контура, что приводит к ухудшению добротности колебательного контура и снижению КПД устройства.The technical disadvantage of the prototype: as in the analogue, the piezoelectric element of the electric transducer and the load are connected to the capacitance of the series oscillatory circuit, which leads to a deterioration in the quality factor of the oscillatory circuit and a decrease in the efficiency of the device.

Техническая задача: максимально полное использование энергии последовательного, индуктивно-емкостного, колебательного контура для возбуждения группы пьезоэлектрических акустических преобразователей, увеличение КПД устройстваTechnical task: the most complete use of the energy of a serial, inductive-capacitive, oscillatory circuit to excite a group of piezoelectric acoustic transducers, increasing the efficiency of the device

Согласно изобретению, в устройстве, содержащем задающий генератор резонансной частоты, соединенный через управляемые фазовращатели с усилителями мощности, подключены идентичные электрические цепи, состоящие из последовательно соединенных, параллельных индуктивно-емкостных колебательных контуров, последовательных индуктивно--емкостных колебательного контуров, расчетные емкости которых, замещены (заменены) внутренними емкостями групп пьезоэлектрических преобразователей.According to the invention, in an apparatus comprising a resonant frequency master oscillator connected through controlled phase shifters with power amplifiers, identical electrical circuits are connected, consisting of series-connected parallel inductive-capacitive oscillatory circuits, series of inductive-capacitive oscillatory circuits, the calculated capacitances of which are replaced (replaced) by internal capacities of piezoelectric transducer groups.

На ФИГ-1 показана схема устройства для возбуждения групп пьезоэлектрических акустических преобразователей.FIG-1 shows a diagram of a device for exciting groups of piezoelectric acoustic transducers.

Устройство содержит задающий генератор резонансной частоты 1, управляемые фазовращатели 2, включенные между задающим генератором и усилителями мощности 3, к выходам которых подключены идентичные электрические цепи, состоящие из последовательно соединенных между собой параллельного, индуктивно-емкостного, колебательного контура 4, последовательного, индуктивно-емкостного, колебательного контура 5-6, расчетная емкость которого замещена (заменена) внутренними емкостями группы, соединенных между собой, пьезоэлектрических акустических преобразователей 6. Расчетная емкость на схеме не обозначена, так как ее заменили внутренние емкости пьезоэлектрических акустических преобразователей.The device contains a master oscillator of a resonant frequency 1, controlled phase shifters 2 connected between the master oscillator and power amplifiers 3, to the outputs of which are connected identical electric circuits, consisting of a parallel, inductive-capacitive, oscillatory circuit 4, series, inductive-capacitive connected to each other , oscillatory circuit 5-6, the calculated capacitance of which is replaced (replaced) by the internal capacitances of a group of interconnected piezoelectric acoustic 6. Clearing-forming capacity in the scheme is not defined, as it was replaced by the internal capacitance of the piezoelectric acoustic transducers.

В исходном состоянии задающий генератор 1 и усилители мощности 3 отключены от источника питания (на схеме не указан).In the initial state, the master oscillator 1 and power amplifiers 3 are disconnected from the power source (not shown in the diagram).

Устройство для возбуждения пьезоэлектрических акустических преобразователей работает следующим образом. При подаче питающего напряжения, задающий генератор 1 генерирует электрические колебания, частота которых равна резонансной частоте пьезоэлектрических акустических преобразователей. Далее электрические колебания проходят через управляемые фазовращатели 2 и поступают в усилители мощности 3, к которым последовательно подсоединены параллельный индуктивно-емкостный колебательный контур 4, настроенный на вторую гармонику резонансных электрических колебаний задающего генератора, которую подавляет, пропуская электрические резонансные колебания основной частоты, что уменьшает нелинейные искажения. Пройдя через параллельный колебательный контур, токи резонансной частоты, возбуждают в последовательном колебательном контуре, в индуктивности и емкости резонансные колебания, величина амплитуды которых зависит от добротности элементов колебательного контура. Учитывая, что указанная добротность пьезоэлементов пьезоэлектрических акустических преобразователей весьма высокая, то замещение (замена) ими расчетной емкости последовательного колебательного контура, не приводит к потере его общей добротности. При этом, достигается максимально возможная амплитуда резонансных электрических колебаний на пьезоэлементах пьезоэлектрических акустических преобразователей и максимально используется мощность последовательного колебательного контура. Это дало возможность одним последовательным колебательным контуром обеспечить напряжением возбуждения одновременно группу пьезоэлектрических акустических преобразователей. Практически в фазированных акустических решетках количество акустических преобразователей доходит до 100 штук. Применение в изобретении одновременно нескольких усилителей мощности позволило произвести раздельное возбуждение групп пьезоэлектрических акустических преобразователей, что дало возможность, с помощью управляемых фазовращателей, осуществлять сканирование акустическими колебаниями в вертикальной и горизонтальной плоскости. Изобретение обеспечило увеличение акустического давления с высоким КПД.A device for exciting piezoelectric acoustic transducers works as follows. When applying a supply voltage, the master oscillator 1 generates electrical oscillations whose frequency is equal to the resonant frequency of the piezoelectric acoustic transducers. Further, the electric oscillations pass through the controlled phase shifters 2 and enter the power amplifiers 3, to which a parallel inductive-capacitive oscillatory circuit 4 is connected in series, tuned to the second harmonic of the resonant electric oscillations of the master oscillator, which is suppressed by passing the electric resonant oscillations of the fundamental frequency, which reduces non-linear distortion. Having passed through a parallel oscillatory circuit, the resonant frequency currents excite resonant oscillations in the inductance and capacitance in the inductance and capacitance, the amplitude of which depends on the quality factor of the elements of the oscillatory circuit. Considering that the indicated quality factor of piezoelectric elements of piezoelectric acoustic transducers is very high, the substitution (replacement) by them of the design capacity of a sequential oscillatory circuit does not lead to the loss of its overall quality factor. At the same time, the maximum possible amplitude of resonant electric oscillations on the piezoelectric elements of the piezoelectric acoustic transducers is achieved, and the power of the serial oscillatory circuit is used to the maximum. This made it possible to provide a group of piezoelectric acoustic transducers simultaneously with a single oscillatory circuit. Practically in phased acoustic arrays, the number of acoustic transducers reaches 100 pieces. The use of several power amplifiers in the invention simultaneously made it possible to separately excite groups of piezoelectric acoustic transducers, which made it possible, using controlled phase shifters, to scan acoustic vibrations in the vertical and horizontal plane. The invention provided an increase in acoustic pressure with high efficiency.

В результате экспериментов установлено, что на частоте 3 килогерца при расчетной емкости последовательного колебательного контура равной 1 микрофараде, ее можно заменить двадцатью пьезоэлектрическими акустическими преобразователями, при их внутренней емкости 0,05 мкф или десятью преобразователями, при внутренней емкости 0,1 микрофарада. Кроме того удалось паразитную внутреннюю емкость пьезоэлектрического акустического преобразователя использовать в качестве рабочей емкости последовательного колебательного контура с высоким КПД.As a result of the experiments, it was found that at a frequency of 3 kilohertz with a design capacity of a sequential oscillatory circuit equal to 1 microfarad, it can be replaced by twenty piezoelectric acoustic transducers, with their internal capacitance 0.05 microfarads or ten transducers, with an internal capacitance of 0.1 microfarads. In addition, it was possible to use the parasitic internal capacitance of the piezoelectric acoustic transducer as a working capacitance of a series oscillatory circuit with high efficiency.

Claims

A device for exciting piezoelectric acoustic transducers, consisting of an electric oscillation generator, with an output connected to a serial inductive-capacitive oscillatory circuit, to the capacitance of which a piezoelectric transducer is connected, characterized in that identical electric circuits are connected to the output power amplifiers of the master oscillator of rectangular electric oscillations from a series-connected parallel inductive-capacitive oscillatory circuit Hooray tuned to the second harmonic of the electrical oscillations of the master oscillator, a series inductive-capacitive oscillatory circuit, the calculated capacitance of which is replaced (replaced) by the sum of the internal capacitances interconnected by a group of piezoelectric acoustic transducers having an equal resonant frequency with the frequency of the electrical oscillations of the master oscillator, between which and power amplifiers include phase shifters that allow you to scan acoustic vibrations in the vertical and horizontal linen plane.