SU1718173A1

SU1718173A1 - Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмоакустический приемник

Info

Publication number: SU1718173A1
Application number: SU894710868A
Authority: SU
Inventors: Адольф Александрович Барихин; Олег Анатольевич Квятковский; Виктор Николаевич Кочедыков; Дмитрий Михайлович Ростовцев
Original assignee: Ленинградский Кораблестроительный Институт
Priority date: 1989-06-27
Filing date: 1989-06-27
Publication date: 1992-03-07

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике, в частности к приборам дл измерени параметров колебаний при акустических и сейсмических колебани х жидких сред и грунтов. Цель изобретени заключаетс в повышении чувствительности по напр жению при сохранении рабочей полосы частот. Устройство содержит корпус, инерционный элемент, три пары пьезоэлектрических пакетов, св занных армирующими шпильками с инерционной массой. Пьезоэлектрические пакеты выполнены в виде консольной балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к наружному диаметру равно двум. 1 ил.

Description

Изобретение относитс к измерительной технике, в частности к приборам дл измерени параметров колебаний при акустических и сейсмических колебани х жидких сред и грунтов.

Известен трехкомпонентный сейсмограф , который состоит из корпуса, центральной массы с дополнительной крестовиной, пьезоэлементов, работающих на изгиб и наклеенных на мембраны.

Недостаток данного устройства состоит в том, что при больших массах ударопроч- ность пьезоэлементов, работающих на колебани х изгиба, недостаточна.

Известно устройство дл регистрации трех компонент сейсмических колебаний , в котором используютс удлиненные пьезоэ лементы, расположенные между корпусом и инерционной массой, работающие на сжатие .

Однако конструктивна схема их поджа- ти приводит к другим зависимост м оптимальных размеров пьезоэлементов от рабочей полосы частот.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому вл етс трехкомпонентный вибродатчик, содержащий общий инерционный элемент (масса), упругие ст жки в виде шпильки (в последовательной силовой армирующей цепи), пьезопакеты.

Основной недостаток такого вибродатчика заключаетс в низкой чувствительности , так как форма и размеры пьезоэлектрического пакета не оптимизированы (с учетом сохранени рабочей полосы частот).

Цель изобретени - повышение чувствительности по напр жению при сохранении рабочей полосы частот.

VI СО

V4 GJ

Указанна цель достигаетс тем, что в стройстве, содержащем корпус, общий нерционный элемент, размещенный с зазором относительно корпуса, три пары пьезоэлектрических пакетов, расположенных по трем взаимно перпендикул рным ос м, проход щим через центр инерционной масы , св занных с инерционной массой посредством шпилек, пьезоэлектрический пакет выполнен в виде консольной балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к его наружному диаметру равно двум.

Возможность повышени чувствительности при сохранении рабочей полосы частот (пропорциональной верхней рабочей частоте и, следовательно, резонансной частоте сейсмоприемника) обоснована исход из условий равенства резонансных частот продольных и поперечных колебаний, так как наличие любого резонанса одинаково ограничивает сверху рабочую полосу частот . При рассмотрении продольных колебаний сейсмоприемника введем допущени о том, чю полна жесткость последовательной механической цепи определ етс элементом с минимальной жесткостью, в нашем приборе-жесткостью шпильки. Кро- ме того, введем коэффициент 2, так как при продольных колебани х масса М св зана с двум шпильками. С учетом этого квадрат резонансной частоты продольных колебаний равен

2 К щ 2 Е ш 5 щ

°-прОА (2 )2М (2 )ЧшМ где Еш - модуль упругости материала шпильки;

Зш - площадь сечени шпильки;

L-ш - длина шпильки;

Кш - упругость шпильки.

Квадрат резонансной частоты поперечных колебаний пьезоэлектрического пакета , как консольной балки, равен (при условии пренебрежени поперечной жесткостью ст гивающей шпильки , имеющей значительно меньший диаметр, чем диаметр пьезопакета)

1,875 2Е к J

.г

«поп

3.5 Е « J

пп

(2тг)

пп

L3mnn

(2Я)2 где Ек - модуль упругости пьезокерамики;

с 2г 4

Inn -F3момент инерции

поперечного сечени пьезопакета;

Snn - площадь пьезопакета;

D, L- наружный диаметр и длине пьезопакета;

тпп - масса пьезопакета.

Введем условие равенства резонансных частот продольных и поперечных колебаний и определим исход из этого услови соотношение между длиной и диаметром пьезопакета

L ш S пп Е к R7T

L V D 1

28,7 L S ш Е ш гп пп Подставив реальные значени параметров , характерных дл подгруппы сейсмоп- риемников, включающей предлагаемое устройство.

известное и Ek 0,62 . 1011

5

0

5

0

5

0

5

Н/м2

S ПП

Еш 2,1 М

10,

1011 Н/м2; - 35, получим

ш

1,25,

2.

SI V,, IHJ/I V-IKH j

шm ппD

Итак, при L/D 2 частоты продольных и поперечных колебаний равны, поэтому рабоча полоса частот сохран етс . При увеличении отношени L/D происходит снижение пропорционально L резонансной частоты поперечных колебаний и, соответственно , снижение рабочей полосы частот. С другой стороны .известно что при уменьшении длины L (при заданном диаметре пьезоэлемента) чувствительность по напр жению пьезоэлектрического приемника падает. Таким образом, доказана оптимальность соотношени L/D 2, при котором чувствительность предлагаемого устройства существенно выше, чем у известного при неизменности рабочей полосы частот.

В случае использовани составов пье- зокерамики с другими параметрами, варьиру . отношени ми Snn/Зш или М/глпп можно добитьс , чтобы отношение L/D равн лось двум. В этом случае преимущества предлагаемого устройства по сравнению с известным сохран ютс .

На чертеже приведена конструктивна схема трехкомпонентного сейсмоакустиче- ского приемника.

Приемник состоит из корпуса 1, общего 5 инерционного элемента 2, шести пьезоэлектрических пакетов 3. набранных из четырех льезоэлементов каждый. Пьезоэлектрический пакет своим основанием уперт в дно стакана 4. а сверху через шпильку 5 при помощи гайки 6 и шайбы 7 св зан инерционным элементом.

Сейсмоакустический приемник работает следующим образом.

Под действием акустической или сейсмической волны возбуждаютс колебани контактирующего с окружающей средой корпуса 1 приемника. Инерционный элемент 2 в соответствии с теорией колебаний колеблетс с некоторым запаздыванием по

амплитуде и фазе относительно колебаний корпуса. Со стороны инерционного элемента возникает сила инерции, действующа на пьезопакеты 3, вследствие чего возникает деформаци этих пьезопакетов и на их выходе по вл етс электрический сигнал.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмоакустический приемник, содержащий корпус, инерционный элемент, установленный с зазором относительно корпуса, три пары пьезоэлектрических па0

кетов. консольно закрепленных на корпусе, оси которых расположены по трем взаимно перпендикул рным ос м, проход щим через центр инерционной массы, соединенных с инерционной массой посредством армирующих ст жек в виде шпилек, отличающийс тем, что, с целью повышени чувствительности по напр жению при сохранении рабочей полосы частот, каждый из пьезоэлектрических пакетов выполнен в виде балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к его наружному диаметру равно двум.

Claims

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмоакустический приемник, содер- 10 жащий корпус, инерционный элемент, установленный с зазором относительно корпуса, три пары пьезоэлектрических па кетов, консольно закрепленных на корпусе, оси которых расположены по трем взаимно перпендикулярным осям, проходящим через центр инерционной массы, соединен- * ных с инерционной массой посредством армирующих стяжек в виде шпилек, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности по напряжению при сохранении рабочей полосы частот, каждый из пьезоэлектрических пакетов выполнен в виде балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к его наружному диаметру равно двум.