Способ изготовления акустического преобразователя

 

Изобретение относится к способам изготовления акустических преобразователей, преимущественно пьезокерамических ультразвуковых преобразователей, отличительной особенностью способа является настройка акустического преобразователя на оптимум АЧХ путем корректировки геометрии мембраны. Способ отличается простотой и высокой эффективностью.

Изобретение относится к способам изготовления приборов для возбуждения и приема акустических колебаний, в частности пьезоэлектрических преобразователей для излучения и приема ультразвуковых колебаний в воздушной среде, имеющих в качестве излучающего и регистрирующего элемента мембрану.

Известны способы изготовления акустических преобразователей, имеющих в качестве излучающего и регистрирующего элемента мембрану. Эти способы, как правило, содержат операцию настройки, поскольку преобразователи, являющиеся резонансной системой, весьма чувствительны к отклонениям параметров от расчетных значений.

Так, в [1] настройка осуществляется путем изменения объема предрупорной камеры и сводится к настройке резонатора, образованного мембраной, стенками корпуса и основанием рупора.

Однако такое решение не позволяет производить настройку самого виброблока, состоящего из вибратора, мембраны, жестко прикрепленной к вибратору в области его механического выхода, и установочной колодки, на которой закреплен вибратор. В то же время опыт изготовления ультразвуковых преобразователей показывает, что для получения оптимальной характеристики преобразователя в процессе изготовления необходима настройка виброблока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ изготовления, предложенный в [2], который и выбран в качестве прототипа.

В [2] предложен способ изготовления пьезоэлектрического керамического преобразователя, состоящего из круглой металлической диафрагмы, закрепленной по своему периметру, на центральной части которой концентрически с ней установлен пьезоэлектрический керамический элемент. Центральная часть диафрагмы вместе с пьезоэлектрическим элементом могут совершать собственные колебания с заданной резонансной частотой.

Способ отличается тем, что резонансная частота преобразователя практически не зависит от диаметра пьезоэлектрического элемента, который может изменяться в заранее оговоренных пределах.

Достигается это тем, что на диафрагме производится рифление по радиальным направлениям с постоянным угловым интервалом, причем область рифления определяется круговой зоной, в которой происходит изменение диаметра пьезоэлектрического элемента от минимального до максимального значений.

Однако данный способ позволяет устранить только влияние разброса величины диаметра пьезоэлектрического элемента на резонансную частоту преобразователей. Поэтому он применим только для случаев, когда разброс значений диаметров велик и вклад этого разброса в разброс резонансной частоты преобразователей является определяющим.

Однако существуют методы изготовления пьезоэлектрических элементов, позволяющие получать его диаметр с точностью, когда определяющим становится вклад других погрешностей. Например, для рассматриваемой в [2] конструкции это погрешности изготовления диафрагмы и погрешности сборки. Кроме того, погрешности, обусловленные разбросами параметров используемых материалов, комплектующих и последующей сборкой, существенным образом влияют и на другие параметры амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) преобразователей, такие как неравномерность и ширина полосы. Причем эти параметры АЧХ при применении преобразователей часто имеют не меньшее значение, чем величина резонансной частоты.

Целью настоящего изобретения является оптимизация АЧХ преобразователя по параметрам - неравномерность, ширина полосы, рабочая частота - путем настройки виброблока. Кроме этого, настройка позволяет достичь максимальной излучаемой мощности для преобразователя, используемого в качестве излучателя, а для преобразователя, используемого в качестве приемника, - максимальной чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что изготовление акустического преобразователя включает изготовление пьезоэлектрического вибратора, установочной колодки и мембраны, их последующее соединение в виброблок и настройку виброблока на оптимум амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) путем корректировки геометрии мембраны.

Корректировка геометрии предполагает изменение геометрической формы мембраны. По мнению авторов, термин "корректировка геометрии" в данном случае наиболее точно отражает существо дела, поскольку изменение геометрической формы мембраны при настройке может производиться локально, на небольшом участке мембраны, при этом геометрическая форма мембраны, как целого объекта, остается неизменной.

Непосредственное осуществление корректировки геометрии определяется конкретной конструкцией мембраны и виброблока и может осуществляться всеми доступными способами.

Так, для виброблока выполненного в виде пьезоэлектрической пластины наклеенной на мембрану, закрепленную по внешнему контуру, корректировка геометрии мембраны может быть произведена, например, путем выдавливания, точечного выдавливания, перфорирования и т.д.

Практическая реализация способа заключается в следующем - после сборки виброблока контролируют его АЧХ, если АЧХ не соответствует оптимальной, производят корректировку геометрии мембраны. Сам процесс корректировки геометрии мембраны на представляет трудностей, поскольку мембрана изготавливается из тонкой металлической фольги. После корректировки снова контролируют АЧХ и при необходимости повторяют корректировку и контроль АЧХ до достижения оптимума.

Контроль АЧХ может осуществляться прямым методом измерения: а) для излучателя - измерением АЧХ излучаемого сигнала с использованием в качестве приемника широкополосного микрофона; б) для приемника - измерением АЧХ принимаемого сигнала с использованием широкополосного излучателя.

Возможно использование и косвенного метода контроля - измерение зависимости проводимости от частоты в области резонанса и антирезонанса используемой моды колебаний.

Проверка предлагаемого способа изготовления преобразователя была проведена при изготовлении опытной партии преобразователей в количестве 100 шт.

Изготовляемые преобразователи состояли из виброблока и корпуса. Виброблок, в свою очередь, состоял из вибратора, роль которого в данном случае играл биморфный пьезокерамический элемент дискового типа, мембраны конусного типа и колодки с выводами.

Мембрана, вибратор и колодка соединялись между собой путем склейки. Причем мембрана крепилась в центре вибратора, то есть в области, где колебания вибратора имеют максимальную амплитуду, а места соединения вибратора и колодки выбирались в области, где амплитуда колебаний вибратора минимальна.

Контроль параметров виброблоков после сборки показал, что у 60% виброблоков АЧХ излучаемого сигнала состоит из нескольких узких (несколько сот Гц) пиков с неравномерностью до 10 дБ.

В дальнейшем было выяснено, что основной причиной этого являлось отклонение мест соединения мембраны, вибратора и колодки от расчетных.

Попытка исправить АЧХ с помощью изменения объема предрупорной камеры к успеху не привела, после чего был применен предлагаемый способ. Настройка осуществлялась в несколько приемов (один-три) чередуемых контролем АЧХ с помощью прибора типа XI-46.

После настройки, АЧХ излучаемого сигнала представляла из себя, как правило, одну широкую полосу с шириной ≈ 3 кГц (по уровню 0,5) и неравномерностью внутри полосы (по уровню 0,5) не более 1 дБ. При этом, увеличение интенсивности излучаемого сигнала в максимуме АЧХ доходило до 8 дБ. Среднее время, затраченное на настройку одного виброблока, составило 1,5 мин.

После окончательной сборки преобразователя параметры АЧХ (неравномерность и ширина полосы) излучаемого сигнала не изменились, а излучаемая мощность в максимуме АЧХ увеличилась до обеспечиваемой конструкцией корпуса.

Источники информации 1. Патент РФ N 2037341 "Способ согласования подвижной системы ультразвукового преобразователя с воздушной средой", Бюл. N 17, 19.06.95г.

2. Патент США N 4193647, МПК H 01 L 41/10, (НКИ 310/324), 1980 г.

Формула изобретения

Способ изготовления акустического преобразователя, включающий изготовление пьезоэлектрического вибратора, установочной колодки и мембраны с последующим их соединением и настройкой на оптимум амплитудно-частотной характеристики, отличающийся тем, что настройку осуществляют путем корректировки геометрии мембраны.