SU1732500A1

SU1732500A1 - Приемник градиента акустического давлени

Info

Publication number: SU1732500A1
Application number: SU4809402A
Authority: SU
Inventors: Виталий Зиновьевич Галутин; Галина Михайловна Волк; Борис Брониславович Кондратьев; Валентина Владимировна Наумова
Original assignee: Акустический институт им.акад.Н.Н.Андреева
Priority date: 1990-04-04
Filing date: 1990-04-04
Publication date: 1992-05-07

Abstract

Изобретение относитс к а кустике .«Цель изобретени - расширение частотного диапазона . Приемник градиента акустического давлени содержит полый пьезокерамиче- ский цилиндр, электроды, нанесенные на внутреннюю и внешнюю поверхности пье- зокерамического цилиндра, св занные друг с другом армирующим элементом крышки, одна из поверхностей каждой из которой выполнена скошенной и обращена к соответствующему торцу пьезокерамического цилиндра. Между крышками и торцами пьезокерамического цилиндра расположены прокладки. Нанесенный на внутреннюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрод разделен на четное количество секций. Причем диаметрально противоположные секции данного электрода соединены электрически параллельно, а соответствующие им части пьезокерамического цилиндра имеют пол ризацию разного знака. Зил. fe

Description

Изобретение относитс к акустике и может быть использовано в приборах дл измерени градиента звукового давлени в воздушной и водной среде.

Известен гидроакустический приемник градиента давлени , состо щий из полого пьезокерамического кольца с открытыми торцами и секционированными электродами . Вычитание сигналов с противоположных сегментов позвол ет получить сигнал, пропорциональный градиенту давлени , и сформировать дипольную характеристику направленности,

Однако эффективна работа такого приемника возможна только на частотах, лежащих ниже основной резонансной частоты в пределах приблизительно одной октавы.

Известен также гидроакустический приемник градиента давлени , содержащий полый, закрытый с торцов крышками, пьезо- керамический цилиндр с электродами, нанесенными на внутренней и внешней поверхност х, причем электрод на внутренней поверхности разделен на четное количество секций.

В этом приемнике дл получени сигнала пропорционального градиенту давлени , также используетс вычитание сигналов с противоположных секций цилиндра. Эффективна работа такого преобразовател возможна на частотах, близких к основной

СО

кэ ел о о

резонансной частоте и ниже, в пределах одной декады.

Наиболее близким к предлагаемому вл етс акустический приемник, содержащий полый пьезокерамический цилиндр, электроды, нанесенные на внутреннюю и внешнюю поверхности пьезокерамическо- го цилиндра, крышки, закрывающие торцы пьезокерамического цилиндра, причем нанесенный на внутреннюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрод разделен на четное количество секций,

Недостатками известного устройства вл ютс ограничение частотного диапазона со стороны низких частот из-за наличи паразитной чувствительности к давлению, св занной с разбросом свойств пьезокера- мики по цилиндру и неидентичностью элек- тродов, вследствие малой емкости преобразовател велики собственные шумы приемника и его нижн гранична частота рабочего диапазона.

Цель изобретени - расширение частотного диапазона.

Поставленна цель достигаетс тем. что в приемнике градиента акустического давлени , содержащем полый пьезокерамический цилиндр, электроды, нанесенные на внутреннюю и внешнюю поверхности пьезокерамического цилиндра, крышки, закрывающие торцы пьезокерамического цилиндра, причем нанесенный на внутреннюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрод разделен на четное количество секций, одна из поверхностей каждой крышки выполнена скошенной и обращена к соответствующему торцу пьезокерамического цилиндра, между крышками и торцами пьезокерамического цилиндра расположены введенные прокладки, а крышки св заны одна с другой армирующим элементом, причем диаметрально противоположные секции нанесенного на внутреннюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрода соединены электрически параллельно, а соответствующие им части пьезокерамического цилиндра имеют пол ризацию разного знака.

На фиг. 1 показан приемник градиента давлени , общий вид; на фиг. 2 - секционирование электродов и их положение относи- тельно разнознаково пол ризованных частей цилиндра; на фиг. 3 - первые моды колебаний цилиндра.

Приемник состоит из пьезокерамического цилиндра 1, двух массивных фланцев 2, ст гивающего их винта 3. Дл обеспечени герметизации и задани определенного поджима цилиндра между фланцами и торцами цилиндра располагаютс прокладки 4.

Специальные отверсти в одном из фланцев дл проводов, по которым передаетс электрический сигнал от электродов пьезокерамического цилиндра к электрической схеме,

на фиг. 1 не показаны.

На внутреннюю и внешнюю поверхности пьезокерамического цилиндра нанесены электроды. Наружный электрод 5 неразрезной, он электрически соединен с

фланцами 2. Внутренний электрод 6 разделен на две части (либо на 4 части, если при- емник предназначен дл измерени градиента давлени в двух взаимно-перпендикул рных направлени х. Части цилиндра

7 и 8, расположенные под притиволежащи- ми электродами, пол ризованы разнознаково . Поверхности 9 фланцев, обращенные к торцам пьезокерамического цилиндра, выполнены линейно скошенными.

Скошенность поверхностей крышек, обращенных к торцам цилиндров, т.е. непараллельность плоскости поверхности крышки и плоскости торца цилиндра, приводит к тому, что поджим цилиндра в направлении , параллельном его оси, мен етс по направл ющей.

Приемник работает следующим образом .

Под действием акустической волны в

пьезокерамическом цилиндре.1, опертом торцами на фланцы 2, возникают колебани , соответствующие разным модам колебаний цилиндра-, однако наибольшую амплитуду имеют 0 и 1 моды (фиг. За, б).

Благодар указанной разнознаковой пол ризации цилиндра в идеальном преобразователе электрический сигнал, снимаемый с электродов, определ етс 1 модой и пропорционален градиенту давлени .

Однако, в силу всегда имеющей место некоторой неидентичности параметров частей цилиндра (чувствительности частей и площади нанесенных на него электродов), сигнал, пропорциональный 0 моде (т.е. давлению ), также имеетс на выходе приемника . Дл улучшени качества приемника необходимо осуществить его настройку. Учитыва неидентичность электроакустических параметров частей пьезокерамического цилиндра, можно записать напр жение на выходе приемника следующим образом:

UBb,(Ei + E2)Zi/(Zi+Z2),

где EL Ј2 - напр жени холостого хода секций цилиндра;

ZL 2.1 - их импедансы. В случае равенства импедансов секций выходное напр жение

иВых (Е1 + Е2)/2.(1)

На основании выражений, св зывающих напр жение на выходе пьезоцилиндра с его геометрическими параметрами и воздействующим на него звуковым давлением с учетом мод его колебаний, можно записать дл идеального приемника

/UB

31

ЈЈо

-PoVsin0, (2)

где г- радиус пьезокерамического цилиндра;

J31 - пьезоэлектрический модуль;

Ј - диэлектрическа проницаемость пьезокерамики;

.

I

f - частота;

С - скорость звука в среде измерени . Дл реального преобразовател , имеющего неодинаковую чувствительность секций Ур1 и ур2 и их импедансы Zi, 7.2 выходное напр жение определ етс следующей зависимостью:

U

2 ур1 Z2 (Ei-E2) Zi+Z22

+ Fo / УРТ Z2 Ур2 Zi v

С2 V Zi + z2 Zi + z2/

Из выражени (3) следует, что выходной сигнал пропорционален градиенту давлени в том случае, если

yPiZ2 yp2Zi.

При Ур1 Z2 5Јур2 Zi частотный диапазон приемника градиента давлени уменьшаетс .

Поскольку чувствительность пьезокерамики зависит от статического поджима, возможно достижение равенства (4) путем дифференцировани статической нагрузки по направл ющей цилиндра, что возможно вследствие скошенности поверхностей крышек. С помощью поворота крышек отно

сительно оси цилиндра подбираетс необходимое соотношение чувствительностей секций цилиндра.

На практике контроль за настройкой

5 приемника осуществл етс по виду амплитудно-частотной характеристики чувствительности (АЧХ).

Рабочим дл приемников градиента акустического давлени считаетс диапа10 зон, в котором АЧХ имеет наклон 20 дБ да декаду (6 дБ на октаву) У приемников, обладающих паразитной чувствительностью к давлению, АЧХ на низких частотах имеет горизонтальный участок. В этой частотной

15 области преобладает паразитна чувствительность к давлению.

При настройке приемника следует стремитьс к расширению вниз диапазона частот , на которых сохран етс наклон АЧХ,

20 присущий приемникам градиента акустического давлени ,

Claims

Формула изобретени Приемник градиента акустического давлени , содержащий полый пьезокерамиче25 ский цилиндр, электроды, нанесенные на внутреннюю и внешнюю поверхности пьезокерамического цилиндра крышки, закрывающие торцы пьезокерамического цилиндра, причем нанесенный на внутрен30 нюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрод разделен на четное количество секций, отличающийс тем, что, с целью расширени частотного диапазона , одна из поверхностей каждой крышки

35 выполнена скошенной и обращена к соответствующему торцу пьезокерамического цилиндра, между крышками и торцами пье- зокерамическсго цилиндра расположены введенные прокладки, а крышки св заны

40 друг с другом армирующим элементом, причем диаметрально противоположные секции нанесенного на внутреннюю поверхность пьезокерамического цилиндра электрода соединены электрически парал45 лельно, а соответствующие им части пьезокерамического цилиндра имеют пол ризацию разного знака.

«)

N

S)

Pur. 3