SU759148A1 - Акустический преобразователь - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к контролю свойств и состо ни  жидких и твердых сред.

Известны акустические преобразо- j ватели дл  неразрушающего контрсш  и гидроакустических антенн типа продольный вибратор Ланжевена, содержащие переднюю и заднюю накладки, между которыми размещен пьезоэлемент 1 «ю

Наиболее близким к изобретению по техничесокй сущности  вл етс  акустический преобразователь, содержащий пакет пьезокерамических шайб, переднюю и заднюю накладки с отверсти ми под ст гивающий болт с гайкой. Сжатие пьезоэлемента повышает надежность работы преобразовател  в режиме излучени  2 .

Однако указанные преобразователи Q овладают малой чувствительностью и направленностью.

Действительно, излучение и прием в них осуществл етс  только передней 25 накладкой, при этом используютс  только -продольные «омпоненты сил, развиваеь х пьезоэлементом, а попед)ечные компоненты не используютс , так как наружные и внутренние стенки пьезоэлемента наход тс  в воздухе и .акустически почти не нагружены. Это приводит к уменьшению чувствительности в режимах излучени  и приема за счет уменьшени  акустического импеданса в 2-3 раза.

Цель изобретени  - увеличение чувствительности и направленности пр ео бр аз ов ат ел ,

Поставленна  цель достигаетс  тем,  то отверстие в передней накладке выполнено конусообразным, его меньший диаметр обращен к пакету пьезокерамических шайб -и составл ет 0,30 ,9 их внутреннего диаметра, головкь и часть болта, проход ща , через пакет пьезокерамических шайб, выполнены плоскими, имеющими в.поперченом сечении форму пр моугсшьника с толщиной , меньшей диаметра болта, причем внутренний объем преобразовател  заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению среды,, на которую нагружен преобразователь. Толщина плоских частей болта - 0,2-0,4 от его диаметра,, .. .

Claims (2)

1. На фиг, 1 схематически представлен преобразователье на фиг, 2- эпюры расгфеделени  колебательных скоростей в полуволны сжати  в прс -южуточной среде (крива  2), в преобразователе (крива  1) и их сумма .(крива  3). Преобразователь содержит переднюю накладку 1, выполненную из алюминиевого или титанового сплава, за,цнюю накладку 2, пьеэоэлемент 3, размещен ный между накладками и сжатый при по мощи болта 4 и гайки 5. Диаметр наруж части накладки 1 не превышает дли ны полуволны в среде, а малый диаметр переходит в хвостовик с помощью которого осуществл етс  крепление прео6р зовател  к опорной плите (не показан Головга б и стержнева  часть 7 ст гивающего болта 4, наход щиес  в перед ней накладке 1 в пространстве ,8 до задней накладки 2 соответственно г выполнены плоскими, толщиной 0,2-0,4 диаметра болта, исход  изнс..обходимос ти достижени  минимальных потерь коле бательной скорости в промежуточной среде 8 и обеспечени  достаточной про ности на разрыв ст гивающего болта, 8накладке 1 выполнено конусообразное отверстие 9, Край накладки по большому диаметру выполнен острым, как у кольцевого концентратора, Пространство 8 внутри пьезоэлемтента 3 заполнено промежуточной средой типа резины (полиуретан, силиконова  резина, эпок сидный комлаунд)f имеющей скорость распространени  звука, равную или близкую к скорости распространени звука в рабочей среде, например вод дл  антенн гидролокаторов, Отверстие 9 может быть заполнено той же средой или же внешней средой За счет выполнени  головки болта 4 плоской полость 8 и ПОЛОСТЬ отверсти  9св заны между собой через отверсти имеющие форму сегментов. Малый диаметр сквозного отверсти  в передней накладке выбираетс  равным 0,3-0,9 от диаметра отверсти  пьезоэлемента исход  из необходимоети получени  малых гидравлических потерь при перетекании промежуточной среды 8 в полость 9 и обратно, а также дл  достижени  возникновени  объем ного резонанса в резонаторе Гельмгольца . Акустический преобразователь работает следующим образом, В режиме излучени  на зажимл пьезоэлемента подаетс  возбуждающее напр жение U от генератора (не показан ) вызывающее деформации пьезоэлемента . Пьезоэлемент 3 может быть пол ри зован по высоте или по толщине, В последнем случае дйа етрпреобразовател  растет, но затовысота его может быть выполнена несколько меньшей . При условии, что Пьезоэлемент имеет продольную пол ризацию и пол рность возбуждающего напр жени  такова , что он увеличивает свою длину, в соответствии с эффектом Пуассона стенки его уменыиают свою толщину, |а накладки 1 и 2 уд&л ютс  друг от друга. Объем полости 8 при этом возрастает и в промежуточной среде возникает волна разр жени  распростран юща с  через сегментообразное отверстие в накладке 1 из полости 8 в полость отверсти  9, Накладка 1  вл етс  четвертьволно ,вой и скорость распространени  звука в ней.примерно в 2 раза больше, чем в промежуточной или наружной среде (фиг, 2, кривые 1 и 2), Величина колебательной скорости промежуточнойсреда rtc ° высоте пьезоэлемента посто нна и возрастает скачком при выходе в полость отверсти  9 пропорционально отнсшению площадей отверстий пьезоэлемента и наи(ладки 1 e-lal5aL.p ncrS 2(Db-ad) ) где Bj - площадь отверсти  в пьезоэлементе; В,, - площадь поперечного сечени  стержневой части ст гивающего болта 4; В(,о - площадь сегментообразного отверсти  в накладке 1; D - диаметр отверсти  в пьезоэлементе; D - диаметр малого отверсти  в конусе 9; а - длина хорды сегмента; d - толщина головной и стержневой частей б и 7 ст гийающего болта 4f в - длина дуги сегмента, При следующем попупериоде возбуждающего напр жени  продольный размер пьезоэлемента уменьшаетс , а тогпданаего стенки увеличиваетс  в соответст ВИИ с эффектом Пуассона, При этом объем полости 8 уменьшаетс  и промежуточна  среда, будучи сжатой, приобретает колебательную скорость с обратным знаком, распростран кадуюс  в : сторону отверсти  9, Накладка 1. находитс  в фазе разр жени . Так как скорость распространени  звука в. последней примерно в два раза выше , чем в среде, наполн ющей отверстие 9, то на выходе преобразовател  происходит сложение sSim разр жени , распростран ющихс  в накладке и в среде отвэрсти  9, Волна в последней была образована в предаестнующий полупериод (фиг. 2, крива  3). Таким образом , в образовании суглларпого колебани  участвуют накладки 1 и 2 и поперечйые смещени  внхтренних стенок, пьезоэлемента 3 Полость 8 и сегментообраэные отверсти  в накладке 1 образуют резонатрр Гельмгольца, усиливающий колебани  промежуточной среды, передающиес  наружной среде. Частоту, на которую настроен этот резонатор, вычисл ют по формуле F-§-/, сг) (b-c.)-§(T5-d) ( где с - скорость распространени  звука в промежуточной среде R радиус эквивалентного отвер сти , равного по площади дв сегментообразным i отверсти м в накладке 1.. V - объем полости 8. . Взаимосв зь между величинами R, V, DJ, а, Ь, d выгл дит следующим образом . .( -ad), (.) где Н - высота пьезоэлемента, It 3,14. Из формул (2), (3) и (4) следует, что:дп  ТОГО, чтобы настроить резона тор на резонансную частоту преобразо вател , необходимо варьировать величи нами D, D, d и Н, Дл  возбуждени  самой низкочастотной модзь колебаний в резонаторе,  вл ющимис  самой мощной , необходамо, чтобы в среде полос ти 8 уложнлась ал одна четверть нолны . Отсюда следует, что величина Н зависит от акустических свойств промежуточной среди при соотношении скоростей , где с - скорость зв ка а пьезоэлементе 3; С/5 ; где TV. - длина волны в пьезоэлементе и f - частота резонанса.Сечение стер невой части ст гивакшего болта выбираетс  исход  из требуемого усили  сжати  пьезоэлемента и прочности на разрыв материала, из которого сделан болт. НаружнсШ поверхность накладки 1 может быть заключена в экран. Увели-ение чувствительности в режиме приема достигаетс  за счет уве личенй  активной поверхности, на которую воздействует акустическое давл ние принимаемого сигнала. Величина площади поверхности приема равна сум ме площадей поверхностей передней н-а ладки, отверсти  пьезоэлемента и зад ней накладки. Силы, приведенные к пьезоэлементу с указанных поверхностей , привод т к увеличению деформаци пьезоэлемента, что, в свою очередь вызывает увеличение выходного напр  жени , т.е. при одном и том же акустическом давлении чувствительность преобразовател  возрастает, несмотр  на уменьшение выходного импенданса . Дополнительное увеличение чувствительности в 0 раз достигаетс  за счет объемного резонанса резонатора Гельмгольца. Предлагаемой конструкци  акустического преобразовател  дает возможность получить: увеличение чувствительности в режимах излучени  и приема в 3-4 раза, а направленности вв 1,5-2,0 раза по сравнению с акустическим преобразователем, у которого используетс  только одна накладка. Формула изобретени  1.Акустический преобразователь, содержащий пакет пьезокерамических шайб, четвертьволновую переднюю и заднюю накладки с отверсти ми, ст гивающий болт с гайкой, отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности, отверстие в передней накладке выполнено конусообразным , его меньший диаметр обращен к пакету пьезокерамических шайб и составл ет 0,3-0,9 их внутреннего диаметра, головка и часть болта проЬсод ща  через пакет пьезокерамическнх шайб, выполнены плоскими, имеющими в поперечном сечении форму пр моугольника с тощиной, меньшей диаметра болта, причем внутренний объем преобразовател  заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением , равным акустическому сопротивлению среды, на которую нагружен преорр 1эователь . 2,Преобразователь по п.1, о т лич ающийс   тем, что толшина плоских частей болта составл ет 0,2-0,4 от его диаметра. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент США 3140859, кл.259-1, 1964.
2. 2.Камп Л, Подводна  акустика, М., Мир, 1972, с. 163 (прототип). 8