Двухрезонансный пьезокерамический преобразователь

 

Двухрезонансный пьезокерамический электроакустический преобразователь содержит активный элемент в виде полого цилиндра, разделенного с помощью электродов на сегменты. Активный элемент собран из ряда чередующихся сегментов двух видов, выполненных из разных пьезокерамических материалов, и возбуждающих изгибные и продольные колебания. Продольные колебания расположены по окружности в узлах распределения по окружности радиальной составляющей колебательной скорости, возникающей при колебаниях изгиба. Технический результат - упрощение конструкции и схемы внешней коммутации. 1 ил., 1 табл.

Предлагаемый двухрезонансный преобразователь может быть использован как одиночный или в качестве элемента гидроакустических приемо-излучающих антенн.

Известен цилиндрический пьезокерамический преобразователь, работающий на различных модах продольных и изгибных колебаний по окружности цилиндрической оболочки. Поочередное использование различных мод колебаний достигается соответствующей коммутацией электродов пьезокерамических элементов, составляющих цилиндрический активный элемент преобразователя.

Недостатками известного преобразователя являются: во-первых, сложная схема коммутации при переходе с одной моды колебаний на другую и, во-вторых, сложность внутреннего электрического монтажа в преобразователе. Последнее связано с тем, что для обеспечения возможности перехода с продольных мод колебаний на изгибные необходимо иметь раздельные электрические выводы от наружной и внутренней частей пьезокерамической цилиндрической оболочки. Выводы от наружной части активного элемента преобразователя могут быть сделаны практически только со стороны торцевых поверхностей активного элемента, что создает трудности с обеспечением необходимой электрической прочности монтажа из-за ограниченных размеров торцевых поверхностей.

Предлагается конструкция двухрезонансного цилиндрического пьезокерамического преобразователя, позволяющая существенно упростить схему внешней коммутации и внутренний электрический монтаж преобразователя. Это достигается тем, что цилиндрический активный элемент выполнен из ряда чередующихся по окружности сегментов двух видов. Один вид сегментов предназначен для реализации изгибных колебаний, другой - продольных колебаний по окружности активного элемента. Сущность данного конструктивного решения поясняется чертежом на примере секционированного активного элемента (использующего продольный пьезоэффект), предназначенного для реализации первой моды изгибных и нулевой мод продольных колебаний.

Обозначения на чертеже:

1 - сегменты, предназначенные для использования продольных колебаний,

2 - сегменты, предназначенные для использования изгибных колебаний;

3 - электроды пьезокерамических призм;

4, 5, 6 - электрические выводы;

7 - монтажные электроды;

стрелками указаны направления поля поляризации пьезокерамических призм.

Как видно из чертежа, активный элемент состоит из 4-х "изгибных" и 4-х "продольных" сегментов, причем последние расположены в областях узлов распределения по окружности радиальной составляющей колебательной скорости, возникающей при колебаниях изгиба. Отрицательные электроды пьезокерамических призм имеют для "продольных и "изгибных" сегментов общий вывод 4 и для положительных электродов раздельные выводы 5 и 6.

Таким образом, в отличие от известного преобразователя, в котором при работе на каждой моде колебаний электрически подключается (путем соответствующей коммутации) весь активный элемент, в предлагаемом преобразователе для реализации каждой из мод колебаний предназначены соответствующие ей сегменты активного элемента. Эти сегменты включены постоянно на возбуждение только одной моды колебаний и электрически не участвуют в возбуждении другой моды. За счет этого достигается существенное упрощение внутреннего монтажа и создаются условия для более качественного его выполнения. Особенно наглядно это видно на примере конструкции цилиндрического преобразователя с секционированным активным элементом. При встречной по радиальной толщине кольца поляризации пьезокерамических призм в сегментах, предназначенных для использования изгибной моды колебаний (см. чертеж), в предлагаемом преобразователе можно весь внутренний монтаж выполнить сплошными монтажными электродами, выведенными с внутренней стороны активного элемента, где значительно лучшие условия для обеспечения требуемого качества и электрической прочности монтажа.

Применение предлагаемого преобразователя связано также с более простой схемой коммутации при переходе с одной моды на другую. Электрические выводы от участков активного элемента, включенных на использование разных мод колебаний, могут быть сделаны независимыми, тогда коммутация будет заключаться лишь в подключении к соответствующим выводам преобразователя. Так, в примере, приведенном на чертеже, при подключении к выводам 4 и 5 используются изгибные колебания активного элемента, а при подключении к выводам 4 и 6 - продольные. Возможна также одновременная работа на этих двух модах колебаний.

Несмотря на то, что в предлагаемом преобразователе в электромеханическом преобразовании на каждой из мод участвует лишь часть активного элемента, эффективность использования пьезокерамики в нем может быть не хуже, чем в преобразователе прототипа. Это объясняется тем, что при изгибных колебаниях пьезокерамический материал, расположенный вблизи узлов распределения по окружности радиальной составляющей колебательной скорости, вносит малый вклад в электромеханическое преобразование. Поэтому отключение до 30% активного материала вблизи узлов практически не ухудшает параметров преобразователя, работающего на колебаниях изгиба. На низшей (нулевой) моде продольных колебаний по окружности тонкой и низкой цилиндрической оболочки механические напряжения распределяются равномерно по объему материала, и включение лишь части пьезокерамического материала приводит к снижению эффективности работы преобразователя на этой моде. Однако в известном преобразователе также имеет место неполное использование активного материала при продольных колебаниях ввиду необходимости применения пьезокерамических призм с разделенными по толщине кольца электродами (как показано на чертеже для "изгибных" сегментов). Участок призмы, не покрытый электродами, который не может быть сделан слишком малым из соображений обеспечения достаточной электрической прочности при поляризации и работе, в электромеханическом преобразовании при продольных колебаниях не участвует, т.е. активный материал используется неполностью.

Сказанное выше подтверждается результатами измерений 2 макетов цилиндрических двухрезонансных преобразователей: известного и предлагаемого. Секционированные активные элементы этих макетов изготовлены из пьезокерамики ТБК-3 и имеют следующие размеры:

средний радиус - 7,1 см,

толщина кольца - 2 см,

высота кольца - 8,5 см,

Макеты изготовлены из расчета использования первой изгибной моды колебаний с резонансной частотой 2,2 кГц и нулевой продольной моды с резонансной частотой 10 кГц. В макете преобразователя предлагаемой конструкции 2/3 объема активного элемента занимают сегменты, включенные на использование изгибных колебаний, а 1/3 объема - "продольные" сегменты. В преобразователе известной конструкции в поочередной работе на тех же модах в каждом случае участвуют все пьезоэлементы, составляющие активный элемент.

Эффективность использования активного материала в этих макетах на каждой из мод колебаний удобно оценить по величинам коэффициентов электромеханической связи, измеренные значения которых приведены в таблице.

Таблица  Макет известного преобразователя Макет предлагаемого преобразователя св. изгибн.0,28 0,31св. продольн. 0,240,24

Приведенные данные свидетельствуют о том, что в предлагаемом преобразователе при выбранном соотношении частей пьезокерамики степень использования активного материала на указанных модах колебаний практически такая же, как и у преобразователя - прототипа.

В зависимости от конкретных задач применения предлагаемого преобразователя можно изменять соотношение эффективностей на той или иной моде колебаний либо путем изменения соотношения объемов пьезокерамики, включенной на использование этих мод, либо путем изготовления сегментов разного назначения из пьезокерамики разных составов.

Формула изобретения

Двухрезонансный пьезокерамический электроакустический преобразователь, содержащий активный элемент в виде полого цилиндра, разделенного с помощью электродов на сегменты, отличающийся тем, что, с целью упрощения его конструкции и схемы внешней коммутации, активный элемент собран из ряда чередующихся сегментов двух видов, выполненных из разных пьезокерамических материалов, и возбуждающих нагибные и продольные колебания, причем последние расположены в узлах распределения по окружности радиальной составляющей колебательной скорости, возникающей при колебаниях изгиба.

РИСУНКИ