RU3672U1

RU3672U1 - ULTRASONIC PIEZO ELECTRIC RADIATOR FOR THE AIR

Info

Publication number: RU3672U1
Application number: RU95122007/20U
Authority: RU
Inventors: Георгий Николаевич Серавин
Original assignee: Георгий Николаевич Серавин
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1997-02-16

Abstract

1. Ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель для воздушной среды, содержащий стержневой акустический концентратор с элементами крепления его к внешней опоре и торцевой поверхностью широкого конца - к рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя, отличающийся тем, что узкий конец стержневого акустического концентратора жестко и соосно прикреплен к внутренней поверхности тонкостенной выпуклой излучающей оболочки в форме части тела вращения, например полусферы.2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический преобразователь состоит из тыльной и рабочей частотопонижающих накладок, между которыми установлены плоские, поляризованные по высоте пьезокерамические элементы.3. Излучатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что акустический концентратор выполнен заодно с рабочей накладкой пьезоэлектрического преобразователя.1. An ultrasonic piezoelectric emitter for air, containing a rod acoustic concentrator with elements for attaching it to an external support and the end surface of the wide end to the working surface of the piezoelectric transducer, characterized in that the narrow end of the rod acoustic concentrator is rigidly and coaxially attached to the inner surface of a thin-walled convex a radiating shell in the form of a part of a body of revolution, for example, a hemisphere. 2. The emitter according to claim 1, characterized in that the piezoelectric transducer consists of a back and working frequency-reducing plates, between which are installed flat, height-polarized piezoceramic elements. The emitter according to claims 1 and 2, characterized in that the acoustic concentrator is made integral with the working patch of the piezoelectric transducer.

Description

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬULTRASONIC PIEZO ELECTRIC RADIATOR

дм ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫdm AIR

Полезная модель относится к области устройств, преобразующих электрические колебания в акустические, и может быть использована как мощный слабонаправленный акустический источник для облучения значительных площадей и объемов замкнутых помещений (залов, офисов, кладовых продовольственных баз,ТРЮМОВ ) в ультразвуковой аппаратуре охранном сигнализации и отпугивания вредных животных.The utility model relates to the field of devices that convert electrical vibrations into acoustic ones, and can be used as a powerful weakly directed acoustic source for irradiating large areas and volumes of enclosed spaces (halls, offices, pantries of food bases, TRIUM) in ultrasonic equipment for guarding alarm systems and repelling harmful animals .

Известны ультразвуковые пьезоэлектрические излучатели для воздушной средн. Так в книге Бабикова О.И. Контроль уровня с помощью ультразвука, Л., Энергия, 1971 г для излучения в газолую среду ультразвука предложен электроакустический преобразователь, состоящий из плоского пьезокерамического элемента с тыльной и рабочей часто то понижающий накладками.Known ultrasonic piezoelectric emitters for the air medium. So in the book of Babikov O.I. Level control using ultrasound, L., Energia, 1971 for electro-acoustic emission into a gas medium, an electro-acoustic transducer is proposed, consisting of a flat piezoceramic element with a back and working element often lowering the overlays.

Достоинством такого преобразователя-излучателя является простота конструкции. К его недостатку следует отнести относительно малую из условия обеспечения прочности для пьезокерамики максимально возможную амплитуду колебаний излучающей поверхности рабочей накладки что ограничивает для преобразователя допустимую удельную мощность акустического излучения. Повышение абсолютной акустической мощности излучения преобразователем посредством увеличения площади поверхностей пьезокерамического элемента и накладок, неизбежно приводит к недопустимому уменьшению раствора характеристики направленности излучения. В патенте США № 2832058, опубликованном 22.04.58г., дляThe advantage of such a transducer-emitter is the simplicity of design. Its disadvantage is the relatively small condition for ensuring strength for piezoceramics the maximum possible amplitude of oscillations of the emitting surface of the working plate, which limits the allowable specific power of acoustic radiation for the transducer. An increase in the absolute acoustic radiation power of the transducer by increasing the surface area of the piezoelectric ceramic element and overlays inevitably leads to an unacceptable decrease in the solution of the radiation directivity characteristics. In US patent No. 2832058, published 04/22/58, for

расширения характеристики направленности излучения и приема плоская поверхность пьезоэлектрического преобразователя снабжена пластмассовой линзой Достоинством акустического излучателя с линзой являета возможность получения относительно широкой (до 150 ) характеристики направленности при использовании излучающей поверхности большой площади. К недостатку его следует отнести весьма низкую эффективность преобразованияTo extend the radiation directivity and reception characteristics, the flat surface of the piezoelectric transducer is equipped with a plastic lens. An advantage of an acoustic emitter with a lens is the ability to obtain a relatively wide (up to 150) directivity when using a large area radiating surface. The disadvantage is its very low conversion efficiency

электрической энергии в акустическую иэ-за чрезвычайно малогоelectrical energy into acoustic energy because of the extremely small

-3 (менее 10 ) коэффициента пропускания ультразвука через граничные поверхности акустический преобразователь-линза и линза -воздух.-3 (less than 10) transmittance of ultrasound through the boundary surfaces of the acoustic transducer-lens and the lens-air.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь по авторскому свидетельству СССР № 236108 Рудашевского Г.Е. и Горбатова А.А.,опубликованного 24.01.69г. Преобразователь содержит пьезоэлектрический диск, рабочий и вспомогательный стержневые акустические концентраторы, закрепленные соосно с диском. Узкий конец рабочего стержневого акустического концентратора заканчивается плоский излучающим поршнем. Возможность излучения в воздух ультразвука с относительно большой удельной интенсивностью обеспечивается трансформацией малых амплитуд смещения торца пьезодиска в большие амплитуды смещения узкого конца рабочего акустического концентратора и поршня.The closest in technical essence to the proposed utility model is an ultrasonic piezoelectric transducer according to the author's certificate of the USSR No. 236108 G. Rudashevsky and Gorbatov A.A., published on January 24, 69. The transducer comprises a piezoelectric disk, a working and auxiliary rod acoustic concentrators, fixed coaxially with the disk. The narrow end of the working rod acoustic concentrator ends with a flat emitting piston. The possibility of emitting ultrasound into the air with a relatively high specific intensity is provided by the transformation of small amplitudes of the displacement of the end face of the piezodisc to large amplitudes of the displacement of the narrow end of the working acoustic concentrator and piston.

Достоинством ультразвукового излучателя по авторскому свидетельству №236108 является возможность получения относительноThe advantage of an ultrasonic emitter according to copyright certificate No. 236108 is the possibility of obtaining relatively

.. л Ватта) абсолютная мощность излучения ультразвука в воздух. Увеличение излучающей поверхности поршня, как уже отмечалось, приводит к сужению (до нескольких градусов) раствора характеристики направленности излучения ультразвука. Кроме того максимальный поперечный размер поршня с плоской поверхностью из условия исключения изгибннх колебаний, не должен превышать половины длины волны ультразвука в его материале. .. l Watt) the absolute radiation power of ultrasound into the air. An increase in the radiating surface of the piston, as already noted, leads to a narrowing (up to several degrees) of the solution of the directivity characteristic of ultrasound radiation. In addition, the maximum transverse dimension of a piston with a flat surface from the condition for excluding bending vibrations should not exceed half the wavelength of ultrasound in its material.

Целью настоящей полезной модели является создание щного (Ватты и более) слабонаправленного (с характеристикой направленности более 90°) пьезоэлектрического излучателя ультразвука для воздушной среды.The purpose of this utility model is to create a basic (watts or more) weakly directional (with a directivity characteristic of more than 90 °) piezoelectric ultrasound emitter for air.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый пьезоэлектрический излучатель для воздушной среды содержит стержневой акустический концентратор с элементами его крепления к внешней опоре и торцевой поверхностью широкого конца - к рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя. Узкий конец акустического концентратора торцевой поверхностью жестко и соосно присоединен к внутренней стороне тонкостенной выпуклой оболочки в форме тела вращения, например, полусферы. Пьезоэлектрический преобразователь излучателя состоит из тыльной и рабочей частотопонижающих накладок, между которыми установлены плоские, поляризованные по высоте пъезокераыичеекие элементы, причем рабочая накладка выполнена заедино с акустическим концентратором.This goal is achieved by the fact that the proposed piezoelectric emitter for the air medium contains a rod acoustic concentrator with elements of its fastening to the external support and the end surface of the wide end to the working surface of the piezoelectric transducer. The narrow end of the acoustic concentrator with the end surface is rigidly and coaxially attached to the inner side of the thin-walled convex shell in the form of a body of revolution, for example, a hemisphere. The piezoelectric transducer of the emitter consists of a back and working frequency-reducing plates, between which flat, height-polarized piezoelectric elements are installed, and the working plate is made together with an acoustic concentrator.

Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой представлен чертеж (без элементов крепления) предлагаемого ультразвукового пьезоэлектрического излучателя для воздушной среды с выпуклой излучающей оболочкой в форме полусферы.The essence of the utility model is illustrated by the figure, which shows the drawing (without mounting elements) of the proposed ultrasonic piezoelectric emitter for an air environment with a convex radiating shell in the form of a hemisphere.

Предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель для воздушной среды состоит (смотрите фигуру, где он изображен в виде тела вращения) из пьезоэлектрического преобразователя, содержащего один, два или несколько плоских пьезокерамических элементов I от поверхностных электродов которых вьшедены проводники 2. Для повышения акустико-электрического КПД преобразователя плоские дьезокерамические элементы поляризованы по высоте. К внешним плоским поверхностям крайних пьезокерамические элементов прикреплены плоские ч ас то то понижающие накладки - тыльная 3 и рабочая 4. Внешняя (рабочая) поверхность рабочей накладки яеско связана с торцевой поверхностью широкого конца стержневого акустического концентратора 5. С точки зрения упрощения конструкции и повышения надежности излучателя предпочтительным является выполнение рабочей накладки 4 заедино с акустическим концентратором 5 из одного и того же материала в виде одной детали. К торцевой поверхности узкого конца акустического концентратора жестко и соосно крепится внутренней поверхностью тонкостенная выпуклая оболочка 6 в форме части тела вращения (на фигуре оболочка в форме полусферы).The proposed ultrasonic piezoelectric emitter for the air medium consists (see the figure where it is shown in the form of a body of revolution) of a piezoelectric transducer containing one, two or more flat piezoelectric ceramic elements I from the surface electrodes of which conductors are inserted 2. To increase the acoustic-electric efficiency of the transducer flat diezoceramic elements are polarized in height. Flat external frequencies are attached to the outer flat surfaces of the extreme piezoceramic elements — rear 3 and working 4. The external (working) surface of the working plate is clearly connected to the end surface of the wide end of the rod acoustic concentrator 5. From the point of view of simplifying the design and increasing the reliability of the emitter it is preferable to carry out the working lining 4 together with the acoustic hub 5 from the same material in the form of a single part. To the end surface of the narrow end of the acoustic concentrator, a thin-walled convex shell 6 in the form of a part of the body of revolution (in the figure a hemisphere-shaped shell) is rigidly and coaxially attached with the inner surface.

Предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь для воздушной среды работает следующим образом.The proposed ultrasonic piezoelectric transducer for air is as follows.

К проводникам 2 пъезокерэпических элементов I подводится переменное электрическое напряжение возбуждения, номинальная частота которого соответствует резонансной механической частоте пьезоэлектрического преобразователя, включающего в себя кроме пьезокерамических элементов I, тыльную 3 и рабочую 4 чатопередаются на торец широкого конца стержневого акустического концентратора 5 и распространяются до нему к узкому концу, который приводит 2 колебательное движение жестко и соосно прикрепленную к нему тонкостенную выпуклую оболочку в форме части тела вращения 6, например, как на фигуре - в форме полусферы.The conductors 2 of the piezoelectric elements I are supplied with an alternating electrical excitation voltage, the nominal frequency of which corresponds to the resonant mechanical frequency of the piezoelectric transducer, which includes, in addition to the piezoceramic elements I, the rear 3 and the working 4 are transmitted to the end of the wide end of the rod acoustic concentrator 5 and extend to it narrow end, which leads 2 oscillatory motion rigidly and coaxially attached to it thin-walled convex shell in the form e parts of the body of revolution 6, for example, as in the figure, in the form of a hemisphere.

Стержневой акустический концентратор 5 предназначен для усиления амплитуды ультразвуковых колебаний внешней плоской поверхности рабочей накладки 4, жестко прикрепленной к торцевой поверхности широкого конца акустического концентратора. Коэффициент усиления амплитуды ультразвуковых колебаний определяется отношением площадей поверхностей торцов широкого и узкого концов концентратора, а также формой его продольного сечения (ступенчатой, конической, экспоненциальной и другими, в том числе составными из них) Формулы для расчета коэффициентов усиления стержневых акустических концентраторов любой формы продольного сечения известны и приводятся в технической литературе по ультразвуковой технике.The rod acoustic concentrator 5 is designed to enhance the amplitude of ultrasonic vibrations of the outer flat surface of the working plate 4, rigidly attached to the end surface of the wide end of the acoustic concentrator. The amplification coefficient of the amplitude of ultrasonic vibrations is determined by the ratio of the surface areas of the ends of the wide and narrow ends of the concentrator, as well as the shape of its longitudinal section (stepwise, conical, exponential and others, including their constituent ones) Formulas for calculating the amplification factors of rod acoustic concentrators of any shape of a longitudinal section known and given in the technical literature on ultrasound technology.

В изображенном на фигуре излучателе применен относительно широкополостный составной стержневой акустический концентратор в виде усеченного конуса с цилиндрическим стержнем при вершине. Для него коэффициент усиления Мр - отношение амплитуды колебаний на узком конце концентратора к амплитуде колебаний на его широком конце равенThe radiator shown in the figure employs a relatively wideband composite rod acoustic concentrator in the form of a truncated cone with a cylindrical rod at the apex. For him, the amplification coefficient Mr - the ratio of the amplitude of oscillations at the narrow end of the concentrator to the amplitude of oscillations at its wide end is

MD MD

р I (/V-IJCoskffSin t+kffCo ff)p I (/ V-IJCoskffSint t + kffCo ff)

0 - диаметр основания усеченного конуса ; ф - диаметр цилиндрического стержня ;0 is the diameter of the base of the truncated cone; f is the diameter of the cylindrical rod;

L , рт /А А длина ультразвуковой волны в матеЈ, - высота усеченного конуса ; 1г - длина цилиндрического стержня.L, rt / A A the length of the ultrasonic wave in the matЈ, is the height of the truncated cone; 1g - the length of the cylindrical rod.

В каждом конкретном случае выполнения предлагаемого излучателя может быть применен концентратор любой известной формы. Например, если требуется большое усиление при узкой частотной полосе излучаемого сигнала, более препочтительным может быть ступечатыя стержневой акустический концентратор в виде двух цилиндров высотой Ак/ и диаметрами 0 и 0f , причем ,. Коэффициент усиления такого концентратора равен Мр (0/tfi)In each case, the implementation of the proposed emitter can be applied to a hub of any known shape. For example, if a large gain is required with a narrow frequency band of the emitted signal, a stepped rod acoustic concentrator in the form of two cylinders with a height Ak / and diameters 0 and 0f may be more preferable, moreover,. The gain of such a concentrator is Mr (0 / tfi)

Элементы крепления концентратора к преобразователю и внешней опоре, а также частотепонижающих накладок к пьезокерамическим элементам ощеизвестны Весьма трудоёмко изложить их всевозможные сочетания конструктивного оформления, а так как это не имеет принципиального значения для сущности полезной модели, то соответствующие элементы крепления не описываются и не приведены на фигуре.The fastening elements of the concentrator to the transducer and the external support, as well as the frequency reducing pads to the piezoceramic elements are well known. It is very difficult to expose their various combinations of design, and since this is not of fundamental importance for the essence of the utility model, the corresponding fastening elements are not described and are not shown in the figure .

Предлагаемый ультразвуковой излучатель теоретически относится к так называемым осциллирующим акустическим источникам Акустическая мощность ег° излучения в общем виде равнаThe proposed ultrasonic emitter theoretically refers to the so-called oscillating acoustic sources. The acoustic power em ° radiation in general is

% 15 zs v.}(1)% 15 zs v.} (1)

где Z$ - сопротивление излучения акустического источника; V0 - амплитуда колебательной скорости излучающей оболочки акустического источника, lie ли размеры излучающей оболочки больше длины волны в возриале концентратора ;where Z $ is the radiation resistance of the acoustic source; V0 is the amplitude of the vibrational velocity of the radiating shell of the acoustic source, lie whether the dimensions of the radiating shell are greater than the wavelength in the concentrator;

духе, то сопротивление ее излучения в осциллирующем акустическом источнике при прочих равных условиях зависит от формы оболочки. Для выпуклых оболочек в виде части сферы или близких ей да форме оно составляетspirit, then the resistance of its radiation in an oscillating acoustic source, ceteris paribus, depends on the shape of the shell. For convex hulls in the form of a part of a sphere or close to it in shape, it is

2S о.зз Sob (ft св), ( г }2S O.ZZ Sob (ft sv), (g}

где S05 площадь поверхности оболочки ; РЈ - плотность воздуха ; С$ - скорость звука в воздухе.where S05 is the surface area of the shell; РЈ - air density; C $ is the speed of sound in air.

Из выражений ( I ) и ( 2 ) следует, что для излучения в воздух ультразвука значительной мощности необходимо увеличи вать площадь поверхности и амплитуду колебаний излучоющей оболочки.It follows from expressions (I) and (2) that for radiation of significant power with ultrasound into the air, it is necessary to increase the surface area and the amplitude of oscillations of the radiating shell.

В предлагаемом по настоящей полезной модели ультразвуковом пьезоэлектрическом излучателе применение стержневого акустического концентратора позволяет в десятки раз увеличить амплитуду колебаний прикрепленной к его узкому концу выпуклой излучающей оболочки, выбранная форма которой практически не ограничивает ее размеры, определяемые из условия получения необходимой акустической мощности ультразвукового излучения. Яри этом оболочка должна быть тонкостенной, чтобы иметь малуюмассу, и одновременно достаточно прочной, чтобы не дэформироваться при значительных нагрузках, имеющих место при колебании ее с большими амплитудами.In the ultrasonic piezoelectric emitter proposed by this utility model, the use of a rod acoustic concentrator allows tens of times to increase the oscillation amplitude of the convex radiating shell attached to its narrow end, the selected shape of which practically does not limit its size, determined from the conditions for obtaining the necessary acoustic power of ultrasonic radiation. In this case, the shell must be thin-walled in order to have a small mass, and at the same time strong enough not to deform under significant loads that occur when it oscillates with large amplitudes.

Характеристика направленности излучения осциллирующей оболочки в виде пустотелой сферы или близкой ей по форме соответствует выражениюThe characteristic of the radiation directivity of the oscillating shell in the form of a hollow sphere or a shape close to it corresponds to the expression

где Рд - акустическое давление ультразвука в воздухеwhere RD is the acoustic pressure of ultrasound in air

под углом В к оси излучателя ; Рт - акустическое давление ультразвука в воздухеat an angle B to the axis of the emitter; RT - acoustic pressure of ultrasound in the air

на оси излучателя. Для полусферы имев л -904 9$ +90.°on the axis of the emitter. For the hemisphere having l -904 9 $ + 90. °

Раствор характеристики направленности 2. в находится из соотношения2. The directional characteristic solution 2. in is found from the ratio

РЬ /Рт -- °- с )Pb / Pm - ° - c)

откуда из выражения ( 3 ) получаем 90 160° и 26 120whence from expression (3) we get 90 160 ° and 26 120

Здесь PQO - акустическое давление ультразвука по уровню 0,5 при отклонении от оси на угол 00.Here PQO is the acoustic pressure of ultrasound at a level of 0.5 when deviating from the axis by an angle of 00.

Согласно выражению ( 3 ) характеристика направленностиAccording to expression (3), the directivity characteristic

осциллирующей сферы имеет форму двух соосных шаров, характеристика направленности осциллирующей полусферы - в виде одного соосного шара (на фигуре пунктиром изображено ее сечение в плоскости чертежа).the oscillating sphere has the form of two coaxial balls, the directional characteristic of the oscillating hemisphere is in the form of one coaxial ball (its cross-section in the drawing plane is shown in dotted lines).

Осциллирующая оболочка в виде части сферы теоретически должна иметь характеристику направленности из основного шара по оси излучателя вперед и засветку ультразвуком назад тем большую, чем форма оболочки ближе к шару.An oscillating shell in the form of a part of a sphere should theoretically have a directivity characteristic from the main ball along the axis of the emitter forward and back-illumination with ultrasound is greater, the shell shape is closer to the ball.

Был изготовлен экспериментальный образец ультразвукового (на часоту 25 кГц) пьезоэлектрического излучателя по данной полезной модели с тонкостенной излучающей оболочкой - полусферой из алюминия, tfro испытания подтвердили практическую возможность создания мощного (до нескольких десятков акстических ватт) слабонаправленного ультразвукового излучателя для воздушной среды. Характеристика направленности излучателяAn experimental sample of an ultrasonic (at a frequency of 25 kHz) piezoelectric emitter was made according to this utility model with a thin-walled radiating shell - an aluminum hemisphere, tfro tests confirmed the practical possibility of creating a powerful (up to several tens of acoustic watts) weakly directed ultrasonic emitter for air. Emitter directivity

- -

вперэд была близка к расчетной по выражению ( 4 ). Наблюдалась акустическая засветка назад, обусловленная дополнительным излучением в воздух ультразвука наружными поверхностями пьезоэлектрического преобразователя, концентратора, элементами крепления и внутренней поверхностью оболочки. Таким образом ненаправленность реального излучателя больше, чем теоретическая для единичной осциллирующей полусферы.forward was close to that calculated by expression (4). Acoustic backlighting was observed due to the additional radiation of ultrasound into the air by the outer surfaces of the piezoelectric transducer, concentrator, fastening elements, and the inner surface of the shell. Thus, the directivity of the real emitter is greater than the theoretical one for a single oscillating hemisphere.

Следует отметить, что предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель является обратимым, то есть при необходимости он может функционировать как приемник ультразвуковых колебаний в воздушной среде на частотах, близких к частоте электромеханического резонанса преобразователя.It should be noted that the proposed ultrasonic piezoelectric emitter is reversible, that is, if necessary, it can function as a receiver of ultrasonic vibrations in the air at frequencies close to the frequency of the electromechanical resonance of the transducer.

Claims

1. An ultrasonic piezoelectric emitter for air, containing a rod acoustic concentrator with elements for attaching it to an external support and the end surface of the wide end to the working surface of the piezoelectric transducer, characterized in that the narrow end of the rod acoustic concentrator is rigidly and coaxially attached to the inner surface of a thin-walled convex a radiating shell in the form of a part of a body of revolution, for example, a hemisphere.

2. The emitter according to claim 1, characterized in that the piezoelectric transducer consists of a back and working frequency-reducing plates, between which there are flat, height-polarized piezoceramic elements.

3. The emitter according to claims 1 and 2, characterized in that the acoustic concentrator is made integral with the working patch of the piezoelectric transducer.