Цилиндрические гидроакустические преобразователи, работающие на колебаниях изгиба по окружности

 

Пьезоэлектрический цилиндрический преобразователь выполнен в виде двух концентрических колец, разбитых на отдельные секции. Одно из колец выполнено из магнитострикционного, а второе из немагнитного материала. Концентрические кольца имеют в сечении призматическую форму. Технический результат - повышение эффективности работы преобразователя и использование в нем продольного пьезоэффекта. 1 з.п. ф-лы.

В изобретении предлагается широкий класс цилиндрических преобразователей (пьезоэлектрических и магнитострикционных), работающих на колебаниях изгиба по окружности составляющих колец.

1. Изгибные колебания кольца в его плоскости.

Колебания изгиба по окружности приведены на фиг.1.

Одним из классов возможных колебаний кругового кольца являются колебания изгиба по его окружности (поперечные колебания в плоскости кольца).

Резонансная частота при этом определяется из соотношения (1)

Е - модуль Юнга материала кольца;

ρ - плотность материала;

Δ и r_ср - толщина и средний радиус кольца.

Радиальная () и тангенциальная () составляющие скорости колебаний сечений кольца меняются по закону

Эпюра механических напряжений в кольце имеет вид, показанный на фиг.2 на выделенном элементе кольца.

В каждом сечении кольца действует изгибающий момент, причем знак момента остается постоянным в пределах сектора

где n - номер возбуждаемой формы колебаний, и меняется при переходе от сектора к сектору.

Рассмотрим способы возбуждения колебаний изгиба пьезоэлектрических и магнитострикционных колец при n=2.

Эта форма колебаний представляет наибольший практический интерес. Вместе с тем более высокие формы колебаний могут быть получены аналогичным образом.

2. Пьезоэлектрические преобразователи (предполагается, что в качестве пьезоэлектрического материала используется керамика титаната бария).

а) Пьезоэлектрическое кольцо состоит из двух жестко скрепленных сплошных концентрических колец (фиг.3), заполяризованных радиально.

Направления поляризации колец показаны на фиг.3а), б) стрелками.

Электроды на поверхности каждого из колец разделены на секции. Если теперь на секции электродов подать напряжения с указанными на фиг.3 полярностями, то в каждом сечении кольца за счет поперечного пьезоэффекта возникнет изгибающий момент, и знак момента будет меняться от секции к секции.

Для возбуждения колебаний изгиба следует соединить между собой электроды каждого знака и подать на них переменное напряжение.

Фиг.3а) и б) отличаются способом поляризации и, соответственно, монтажа секций колец.

В обоих случаях соединение концентрических секций параллельное. Возможно и последовательное соединение концентрических секций. При этом направление их поляризации должно быть противоположным (фиг.4).

б) Секционированное пьезоэлектрическое кольцо (фиг.6), в котором концентрические секторы образуются частями составляющих призм, конструкция которых показана на фиг.5, 6.

Возможны два варианта поляризации и монтажа составляющих призм.

1. Обе половины призмы заполяризованы в одном направлении.

Полярность подаваемых на электроды призм напряжений указана на фиг.6а.

2. Половины призм заполяризованы в разных направлениях. Полярность подаваемых на электроды призм напряжений указана на фиг.6б.

Очевидно, в этом случае изгибающий момент возникает за счет продольного пьезоэффекта.

Изменение знака момента при переходе от сектора к сектору достигается путем соответствующего включения секторов.

3. Магнитострикционные преобразователи.

а) Механическая система преобразователя состоит из двух концентрических колец, одно из которых выполнено из магнитострикционного, а другое из немагнитного материала (латунь, пластмасса, керамика) (фиг.7).

Изгибающий момент относительно центра каждого сечения кольца возникает за счет того, что в магнитострикционном слое возникают механические напряжения, знак которых зависит от того, совпадают или нет направления переменного и постоянного магнитных потоков. Соответственно, изменение знака изгибающего момента при переходе от сектора к сектору достигается путем чередования взаимных направлений постоянного и переменного потоков, одним из способов, показанных на фиг.7а), б).

б) Механическая система состоит из двух концентрических колец, в каждом из которых чередуются участки из магнитострикционного и немагнитного материалов (фиг.8).

Изгибающий момент относительно центра каждого сечения кольца возникает за счет того, что в магнитострикционном слое возникают механические напряжения.

Знак изгибающего момента при переходе от секции к секции изменяется за счет изменения взаимного расположения магнитострикционного и немагнитного слоев.

Преобразователь, механическая система которого имеет вид фиг.8,может быть использован для работы на радиальном резонансе. Таким образом, он является двухрезонансным.

Интервал между рабочими резонансными частотами равен

f_o - частота радиального резонанса,

f_u - частота изгибного резонанса (первая форма колеб. изгиба),

r_cp - средний радиус кольца,

Δ - толщина кольца.

4. Возможные применения преобразователей.

Цилиндрические преобразователи, работающие на колебаниях изгиба, могут быть использованы в качестве одиночных приемников и излучателей, а также в качестве элементов приемно-излучающих систем, предназначенных для работы в области низких частот.

Следует отметить, что вид характеристики направленности и электроакустические параметры преобразователя существенно зависят от характера экранировки его поверхности.

На фиг.9 показано, как изменяется вид характеристики направленности преобразователя в горизонтальной плоскости при изменении формы экрана. На фиг.9 показан примерный вид характеристик направленности.

Ранее проводились испытания макетов пьезоэлектрических цилиндрических преобразователей описанного типа.

Результаты испытаний находятся в хорошем соответствии с расчетом и подтверждают целесообразность использования преобразователей в гидроакустике.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический цилиндрический преобразователь, выполненный в виде двух концентрических колец, разбитых на отдельные секции, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы преобразователя, одно из колец выполнено из магнитострикционного, а второе из немагнитного материала.

2. Пьезоэлектрические цилиндрический преобразователь, выполненный по п.1, отличающийся тем, что, с целью использования в нем продольного пьезоэффекта, концентрические кольца имеют в сечении призматическую форму.

РИСУНКИ