SU1525945A1 - Приемник градиента давлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к гидроакустике. Цель изобретени  - расширение динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличени  чувствительности и уменьшени  теплового порога. Приемник градиента давлени  содержит инерционные массы 1, в которых двум  противоположными сторонами закреплен чувствительный элемент 2 в виде биморфной пьезокерамической пластины с электродами, причем внешние электроды 3 нанесены на ширину Δ от внутреннего кра  инерционных масс 1, определ емую из соотношени  Δ/L =0,13, где - L - длина пластины на участке между инерционными массами. 1 ил.

Description

1

(21)4216430/24-10

(22)25.03.87

(46) 30.11.89. Бюл. № 44

(71)МГУ им. М.В. Ломоносова

(72)Б.И. Гончаренко, В.А. Гордиенко и И.Я. Наумов

(53)620.179.16 (088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 793663, ют. В 06 В 1/06, 1979,

Авторское свидетельство СССР W 466440, кл. В 06 В 1/06, 1973.

(54)ПРИЕМНИК ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ

(57)Изобретение относитс  к гидроакустике . Цель изобретени  - расширение динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличени  чувствительности и уменьшени  теплового порога. Приемник градиента давлени  содержит инерционные массы 1, в которых двум  противоположными сторонами закреплен чувствительный элемент 2 в виде биморф- ной пьезокерамической пластины с электродами, причем внешние электроды 3 нанесены на ширину J от внутреннего кра  инерционных масс 1, определ емую из соотношени  4/1 0,13, где 1 - длина пластины на участке между инерционными массами. 1 ил.

/

/

315

Изобретение относитс  к гидроакустике и может быть использовано, в частности,дл  регистрации акустических сигналов.

Цель изобретени  - расширение динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличени  чувствительности и уменьшени  теплового порога приемника.

На чертеже показана конструкци  приемника.

Приемник градиента давлени  содержит инерционные массы 1, в которых двум  противоположными сторонами закреплен чувствительный элемент 2 в виде биморфной пьезоэлектрической пластины с электродами, причем внешние электроды 3 нанесены на ширину и от внутреннего кра  инерционных масс 1, определ емую из соотношени  4/1 0,13, где 1 - длина пластины на участке между инерционными массами.

Дл  пластинки, закрепленной с двух концов, рассто ние между которыми 1, и бесконечной в перпендикул рном направлении , краева  задача о колебани х под действием равномерно распределенной силы Fe имеет вид

йЧ

StF

Eh

ч

Зх

+ Fe

PUlt ,

,., U.. . (i

где h - толщина пластинки; Е,6, f - модуль Юнга, коэффициент Пуассона и плотность материала из которого выполнена пластинка; (х)- смещение точки нейтральн й

поверхности.

Рассматрива  решение задачи (1) и ограничива сь диапазоном частот

,«( 12)- , дл  второй

i(x) получим

Eh

производной величины следующее выражением

a v; 1.F(1-6i) 1 Л Эх Eh 2 6

- 1х). (2)

- 55

Электрическое напр жение на кера мике пропорционально амплитуде относительной механической деформации, воз- никапщей в ее объеме

. ах

где Z - рассто ние от нейтральной поверхности .

Поскольку зависимость (х) определена формулой (2), можно вычислить электрическое напр жение U, возникающее на выходе рассматриваемой системы

К Г & J Jx

dx

(3)

Константа К зависит от величин F, h, от упругих и пьезоэлектрических констант керамики, а также от электрического соединени  электродов, расположенных на биморфной пьезо- пластинке и не зависит от ширины электродов и,

Тепловой порог Р определ етс 

уровнем собственных шумов приемника градиента давлени  и его чувствительностью при соотношении шум - сигнал равна  1.

Тепловые ыумы рассматриваемой электромеханичрской модели обусловлены диэлектрическими и механическими потер ми в керамике. Расчет показывает , что дл  обычно используемых составов пьезокерамики вли нием механических потерь можно пренебречь. Тогда спектральна  плотность тепловых флюктуации электрического напр жени  на приемнике градиента давлени  выражаетс  формулой Найквиста:

40

ui к,т j.

(4)

где Kg - константа Больцмана;

Т - TeMnepaTVpa;

tg с/ - тангенс угла диэлектрических nofepb пьезокерамики; С - электрическа  емкость приемника градиента давлени . Учитыва  тот факт, что величина С пр мо пропорциональна ширине электродов 4, а также формулы (2), (3) и (4), получают следующую зависимость порогового уровн  от отношени  &/ :

р;-л (| + |t - |t), t |. (5)

Анализиру  соотношение (5), наход т , что независимо от состава пье5152594

зокерамнки тепловой порог имеет минимум , определ емый значением

0.13

Как следует из формул (2) и (3), электрическое напр жение, возникающее на вькоде рассматриваемого ПГД, зависите от отношени  Л/6. При величне ,18 электрическое напр жение и уменьшаетс , при уменьшении U/E оно несколько возрастает. Однако величина теплового порога при &/Р О, 13 возрастает и, как следует из полученного выражени  (5), имеет наименьшее значение при д/6 0,13.

Анализ формул (2) и (3) показал, что электрическое напр жение U, воз- никакмцее на выходе рассматриваемого ПГД, по крайней мере на пор док выше электрического напр жени , возникающего на выходе ПГД, имеющего сплошные внешние электроды в предела ограничений, которые быпи положены при выходе этих формул.

Таким обрахом, выбира  ширину электрода из соотношени  (6), получим повьшение чувствительности приемника градиента давлени  и понижение его теплового порога в пределах линейного участка амплитудно-частотной характеристики.

Соединение электродов между собой может быть осуществлено в приемнике

52594

х

10

15

20

25

30

35

56

так, чтобы электрические напр жени , возникающие на каждой из пар электродов , складывались в фазе. Это может быть достигнуто, например, путем пост ледовательного включени  каждой пос- ледовательно включенной пары электродов , поскольку биморфный элемент с образован двум  пьезопластинами, соединенными между собой противоположными обкладками. Такое электрическое соединение электродов дополнительно повышает чувствительность приемника градиента давлени  в исследуемом диапазоне частот.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Приемник градиента давлени , содержащий инер11;ионные массы и чувствительный элемент в виде биморфной пьезоэлектрической пластины с электродами , причем пластина закреплена двум  противоположными сторонами в инерционных массах, отличающийс  тем, что, с целью расширени  динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличени  чувствительности и уменьшени  теплового порога, внешние электроды нанесены на ширину Л от внутреннего кра  инерционных масс, определ емую из соотношени  4/1 0,13, где 1 - длина пластины на участке между инерционными массами.