RU4427U1 - Ультразвуковой преобразователь - Google Patents

Abstract

1. Ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус, вибратор, мембрану, жестко соединенную с вибратором в области механического выхода, рупор, предрупорную камеру в виде акустического трансформатора, образованную мембраной и стенкой рупора с одним или несколькими отверстиями, отличающийся тем, что стенка рупора выполнена по форме близкой к форме мембраны в области их сближения, а зазор между ними h и максимальный размер мембраны D выбраны из соотношенияh < 0,3λ;nλ <D<nλ,где λ- - рабочая длина волны;n ,n - коэффициенты соответствия i-му максимуму преобразования.2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что мембрана выполнена в виде диффузора, максимальный диаметр D которого выбран из соотношения0,8 λ<D<1,2λ.

Description

4 УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Предлагаемая полезная модель относится к электроакустике и может быть использована при разработке ультразвуковых преобразователей на основе пьезоэлектрических вибраторов. Известен ультразвуковой преобразователь, предназначенный для излучения и приема ультразвука в воздушной среде, содержащий корпус, пъезокерамический вибратор биморфного типа, мембрану в виде конического диффузора, жестко связанного с вибратором в его центре, и акустический трансформатор, образованный диффузором и стенкой корпуса с выходными отверстиями, причем зазор между диффузором и стенкой корпуса с выходными отверстиями установлен порядка половины рабочей длины волны . Указанная конструкция обладает следующими недостатками: 1.Недостаточное акустическое согласование преобразователя с воздушной средой, что снижает его КОД. 2.Зависимость амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) преобразователя от состояния воздушной среды, в частности от ее температуры, что снижает стабильность его эксплуатационных характеристик. 3.Неравномерность АЧХ преобразователя и ее узкополостность, что сужает область его применимости. , .. 4.Необходимость соблюдения величины зазора межд& диффузором и стенкой с отверстиями порядка Х увеличивает габариты преобразователя. ;-ц-1 Известен ультразвуковой преобразователь, в котором осуществляется дополнительное акустическое согласование элементов преобразователя с воздушной средой за счет создания акустического резонатора путем регулирования величины зазора между МПК: HOI I7/00 / м ш р т диффузором и сфвнкой рупора с одним или несколькими отверстиями /2/. Преобразователь содержит вибратор, в виде пъезокерамического биморфа, мембрану в виде диффузора, жестко соединенного с вибратором в его центре (в области механического выхода), предрупорную камеру в виде резонансного акустического трансфоратора, образованную диффузором и стенкой рупора с одним или несколькими отверстиями, причем стенка с отверстиями выполнена подвижной и находится по отношению к диффузору на расстоянии кратном Недостатками этого устройства, выбранного в качестве прототипа являются: 1.Неудобство при эксплуатации, т.к. изменение состояния воздушной среды требует дополнительной подстройки преобразователя на оптимум преобразования. 2. Узкополосность АЧХ преобразователя сужает область его применения. 3.Необходимость обеспечения зазора кратного между диффузором и подвижной стенкой рупора увеличивает габариты преобразователя. Целью заявляемой полезной модели является создание высокоэффективного ультразвукового преобразователя, обладающего повыенной стабильностью его эксплуатационных характеристик. На фи/г I представлено поперечное сечение заявляемого ультазвукового преобразователя. Преобразователь содержит корпус I, пьезокерамический вибраор 2 с механическим выходом в центре, мембрану 3, жестко соединенную с центром вибратора 2, предрулорную камеру 4 в виде акустического трансформатора, образованную мембраной 3, стенкой 5 рупора 6 и входным отверстием рупора 7, электрические контактные выводы преобразователя 8. Стенка 5 рупора 6 в отличие от прототипа выполнена близкой по форме к форме мембраны 3 в области их сближения с зазором h величина которого не превосходит О,ЗА . Корпус I и рупор 6 могут быть выполнены как одно целое. - 2 з Преобразователь работает следующим образом. В режиме работы на излучение Ультразвука. Дри подаче электрического сигна ла на контактные выводы 8, зтот сигнал поступает на вибратор 2. Вследствие пьезоэффвкта, вибратор 2 начинает совершать ультравуковые колебания с частотой подаваемого электрического сигнала.Колебания вибратора 2 передаются через мембрану 3 в воздушную среду, заполняющую предрулорную камеру 4, и через отверстие 7 рупора 6, во внешнюю воздушную среду. В режиме работы преобразователя на прием ультразвука, все описанные операции остаются в силе с той разницей, что последовательность анализа его работы осуществляется в обратном порядке. При соблюдении условия малости зазора достигаются условия нерезонансной акустической трансформации, заключающейся в увеличении эффективности преобразования при передаче ультразвуковых колебаний из большего сечения, определяемого в основном сечением мембраны 3, в меньшее, определяемое/сечением одного (или нескольких) входного отверстия 7 рупора 6. На практике установлено, что для ультразвуковых преобразователей наблюдаемый эффект акустической трансформации достигается при Ь& 0,3 Л и возрастает с уменьшением Ь . Поскольку рупор 6, в свою очередь, так же обладает согласующими свойствами, в итоге достигается высокий уровень акустического согласования вибратора 2 с внешней воздушной средой, в которую излучается ультразвук. Это позволяет достичь высокого КЦЦ преобразования. Ввиду того, что размеры мембраны в ультразвуковых преобразователях соизмеримы в рабочей длиной волны, неизбежно возникают интерференционные явления, заключающиеся в следующем. Ультразвуковая волна, поступившая в отверстие 7 рупора 6 от одних участков мембраны 3 может оказаться в противофазе с ультразвуковой волной, поступившей в него от других участков мембраны 3. В результате сложения этих волн, излучаемый сигнал может оказаться существенно ослабленным, что ведет к снижению эффективности работы преобразователя. Частично это явление - 3 л

„ 4 может быть устранено путем создания нескольких входных отверстий рупора 6 /3/. В то же время эффективность работы мембраны 3 зависит от ее размеров и с их ростом будут поочередно достигаться максимумы и минимумы преобразования. Аналогичный эффект наблюдается в антенной технике KB и УКВ радиодиапазонов, например в технике телевизионных антенн. В этом случае характерный (максимальный) размер $ мембраны 3, соответствующий i-щ максимуму преобразования может быть найден из соотношения rteA где nut Шг. - численные коэффициенты, учитывающие конструктивные особенности преобразователя. Была изготовлена экспериментальная партия преобразователей (более 100 шт.), которые работали на частотах 41...44 кГц. Было установлено, что наиболее эффективно преобразователь работает при максимальном диаметре диффузора & около 8мм, что весьма близко к рабочей длине волны А и эта эффективность заметно падает как при увеличении «И до 1ДЛ ,так и при его уменьшении до 0,8 Л Угол нри основании конуса, образующего диффузор (мембрану) равнялся 25°, а величина зазора К составляла величину около 0,1...0,3 мм. Эффект акустической трансформации практически исчезал при увеличении k до 2,0...3,0 мм, что составио величину около 0,3 Л Внутренний диаметр корпуса равнялся 11,2 мм, а диаметр отверстия в стенке рупора равнялся 3 мм. Рупор и корпус были выполнены как одно целое. По сравнению с прототипом, предлагаемое устройство показало ряд преимуществ: 1.Ширина АИ преобразователя в режимах его работы на прием и излучение возросла в 1,5...2,0 раза. 2.Существенно возросли равномерность и стабильность формы АЧХ к внешним воздействиям. 3.Чувствительность на прием и излучение возрасла в З...5раз 4.Габариты (объем) и масса уменьшились в 2...3 раза. 4 ЖТЕРАТУРА I. ЖКГД 467274.001 ВД (МУП-2). , ЈЈ«3731 2.Патент РФ, ШЕ BfQJB 3/I2, Бшс. № 17, 19.06,95. 3.Бабуршш В.Н. и др. Зйвктроакудтжка и радиовещание, Связь, 1967, о. 148, 149, - 5

Заявитель

Президент АООТ оЯпа А.Я.СафронОв

Claims (2)

1. Ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус, вибратор, мембрану, жестко соединенную с вибратором в области механического выхода, рупор, предрупорную камеру в виде акустического трансформатора, образованную мембраной и стенкой рупора с одним или несколькими отверстиями, отличающийся тем, что стенка рупора выполнена по форме близкой к форме мембраны в области их сближения, а зазор между ними h и максимальный размер мембраны D выбраны из соотношения
h < 0,3λ;
n_i1λ <D<n_i2λ,
где λ- - рабочая длина волны;
n_i 1,n_i 2 - коэффициенты соответствия i-му максимуму преобразования.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что мембрана выполнена в виде диффузора, максимальный диаметр D которого выбран из соотношения
0,8 λ<D<1,2λ.