Комбинированный акустический приемник
Изобретение относится к области акустики, а именно к конструированию пьезоэлектрических приемников для различных областей исследовательских работ и технического применения. Акустический приемник содержит приемник градиента давления, состоящий из металлической втулки, в центральном поперечном сечении которой установлен герметично и жестко скрепленный по контуру с внутренней поверхностью втулки биморфный изгибный чувствительный элемент, содержащий металлическую мембрану с приклеенным к ней пьезокерамическим диском. При этом в него введен пьезокерамический цилиндр, диаметр которого больше диаметра металлической втулки, установленный с ней соосно и концентрично, герметично соединенный с ней по торцам так, что между наружной поверхностью металлической втулки и внутренней поверхностью пьезокерамического цилиндра имеется зазор и образующий с металлической втулкой приемник давления. Технический результат – конструктивно целесообразное совмещение приемника давления и приемника градиента давления, имеющих единый фазовый центр, в конструкции комбинированного акустического приемника, практически без увеличения его волновых размеров, при обеспечении независимости измерения давления и градиента давления в акустическом поле. 3 ил.
Изобретение относится к области акустики, а именно конструированию пьезоэлектрических приемников для различных областей исследовательских работ и технического применения, в частности для описания акустического поля, когда требуются знания величин давления, градиента давления или колебательной скорости в точках пространства, и измерения интенсивности акустического поля.
Приемники, обеспечивающие одновременное измерение величин скалярных (давление) и векторных (градиент давления и колебательная скорость частиц) параметров поля относятся к разряду комбинированных акустических приемников.
Основные требования к комбинированным акустическим приемникам изложены в ([1], с.51,52) и могут быть сформулированы как
- комбинированные акустические приемники должны иметь малые волновые размеры в целях минимизации искажения поля,
- диаграмма направленности приемника давления не должна зависеть от углового направления на источник звука,
- диафамма направленности приемника градиента давления (колебательной скорости) должна быть описана полиномом Лагранжа (иметь форму “восьмерки”),
- оба приемника должны иметь линейную частотную характеристику чувствительности,
- необходимо исключить взаимное влияние приемников,
- входящие в состав комбинированного акустического приемника приемники должны иметь единый фазовый центр.
Известно устройство ([1], с.25), интенсиметр INAC-201 (Франция), который включает систему приемников давления в виде трех микрофонов, расположенных на одной линии на расстоянии Δх друг от друга. Эта система микрофонов одновременно с измерением звукового давления обеспечивает измерение градиента давления и производных величин.
Однако в самом методе регистрации давления и градиента давления с помощью разнесенных в пространстве микрофонов заключается причина погрешностей при измерении параметров поля и, как следствие, измерения интенсивности поля. Очевидно, что точка, в которой осуществляется измерение давления и градиента давления является "мнимой", расположенной между микрофонами. Ее положение будет определяться характеристиками входящих в пары микрофонов. Поэтому требуется высокая идентичность амплитудно-фазочастотных характеристик микрофонов, что обычно трудно выполнимо. Для осуществления точных измерений параметров поля приемная система должна иметь единый фазовый центр, в котором и следует проводить регистрацию параметров ([1], с.25).
Известен комбинированный акустический приемник [2]. Он состоит из корпуса, трех каналов колебательного ускорения и приемника давления, размещенного в верхней части корпуса и состоящего из пьезопакета. Ввиду несимметричности расположения приемников и больших геометрических размеров (250×250×250) данная конструкция приемника не обеспечивает единого фазового центра и оказывает влияние на структуру исследуемого поля.
Известен акустический приемник, разработанный в США ВМС-USRL, представляющий собой приемник градиента давления, который может работать в достаточно широком диапазоне частот, обладает значительной чувствительностью и диаграммой направленности, описываемой полиномом Лагранжа, работающий в большом динамическом диапазоне и обладающий малыми геометрическими размерами [3]. По наибольшему числу общих признаков с заявляемым комбинированным акустическим приемником этот приемник выбран в качестве прототипа.
Акустический приемник-прототип содержит массивную металлическую втулку, в которой установлен герметично и жестко скрепленный по контуру с внутренней поверхностью металлической втулки биморфный изгибный чувствительный элемент, содержащий металлическую мембрану с приклеенным к ней пьезокерамическим диском. Акустический приемник имеет два акустических входа, расстояние между которыми ΔХ, где ΔХ - длина втулки. Под действием разности давлений, действующих на чувствительный элемент через акустические входы, т.е. под действием градиента давления, чувствительный элемент прогибается и на электродах пьезоэлектрического диска выделяется электрический заряд.
При всех упомянутых достоинствах такой акустический приемник имеет функциональное ограничение: с его помощью можно измерить градиент давления в акустическом поле и получить производные физические величины, но невозможно измерить акустическое давление.
Задачей изобретения является создание высокоэффективного комбинированного акустического приемника, сочетающего в себе приемник градиента давления и приемник давления, имеющих единый фазовый центр и малые размеры, не влияющие существенно на структуру исследуемого поля.
Техническим результатом изобретения является конструктивно целесообразное совмещение приемника давления и приемника градиента давления, имеющих единый фазовый центр, в конструкции комбинированного акустического приемника практически без увеличения его волновых размеров по сравнению с прототипом, требуемые диаграммы направленности каждого из приемников: круг для ненаправленного приемника давления и “восьмерка” для приемника градиента давления при минимальном их взаимном влиянии.
Для достижения указанных технических результатов в акустический приемник, содержащий приемник градиента давления, состоящий из металлической втулки, в центральном поперечном сечении которой установлен герметично и жестко скрепленный по контуру с внутренней поверхностью втулки биморфный изгибный чувствительный элемент, содержащий металлическую мембрану с приклеенным к ней пьезокерамическим диском, введены новые признаки, а именно: в него введен пьезокерамический цилиндр, диаметр которого больше диаметра металлической втулки, установленный с ней соосно и симметрично, герметично соединенный с ней по торцам так, что между наружной поверхностью металлической втулки и внутренней поверхностью пьезокерамического цилиндра имеется зазор, и образующий с металлической втулкой ненаправленный приемник давления.
В предлагаемой конструкции геометрическая симметрия расположения элементов приемника градиента давления и давления обеспечивает единый фазовый центр. Для организации воздушного экрана на внутренней поверхности пьезокерамического цилиндра, необходимого для эффективной работы цилиндрического приемника давления на радиальной моде колебаний, использован воздушный зазор, образованный уже имеющейся в конструкции приемника градиента давления металлической втулкой. Увеличение массы втулки за счет присоединения к ней массы приемника давления делает приемник градиента давления более устойчивым к паразитным колебаниям под влиянием неизмеряемых компонент поля и внешних неполевых воздействий, что обеспечивает достаточно высокую стабильность и надежность показаний комбинированного акустического приемника.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2, 3, где на фиг.1 изображен заявленный комбинированный акустический приемник, на фиг.2 изображена диаграмма направленности приемника градиента давления и приемника давления комбинированного акустического приемника, на фиг.3 изображена частотная характеристика чувствительности приемника градиента давления и приемника давления комбинированного акустического приемника.
Предлагаемый комбинированный акустический приемник (фиг.1) содержит массивную втулку 1 из вольфрама. В центральном сечении втулки установлен биморфный изгибный чувствительный элемент 2, состоящий из круглой металлической мембраны 3, в центральной части которой приклеен пьезокерамический диск 4, заполяризованный по толщине. Из условий оптимизации чувствительности изгибных чувствительных элементов диаметр пьезокерамического диска выбирается несколько меньше диаметра мембраны и толщина его несколько меньше толщины мембраны. Мембрана 3 по контуру жестко и герметична скреплена с внутренней поверхностью втулки 1, например склеивается или пропаивается. Пьезокерамический цилиндр 5 по торцам герметично соединен с наружной поверхностью цилиндрической втулки 1 посредством опорных колец 6 с образованием воздушного зазора 7. Пьезокерамический цилиндр 5, металлическая втулка 1 и опорные кольца 7 образуют приемник давления 8 Приемник градиента давления и приемник давления имеют электрические выводы 9 и 10 соответственно. Наружный диаметр пьезокерамического цилиндра составляет 34 мм, наружный диаметр металлической втулки из вольфрама - 26 мм, длина втулки и пьезокерамического цилиндра (ΔХ) - 20 мм.
Заявленный комбинированный приемник работает следующим образом. При действии на него волны акустического давления пезокерамический цилиндр приемника давления, внутренняя поверхность которого заэкранирована воздушным зазором, совершает радиальные колебания, в результате чего на его электродах появляется электрическое напряжение, пропорциональное величине акустического давления.
На акустические входы приемника градиента давления действует разность давлений, обусловленная набегом фазы на длине втулки ΔХ, вызывающая изгиб биморфного чувствительного элемента и выделения на электродах пьезокерамического диска электрического напряжения, пропорционального градиенту давления.
Приемник давления в заданном диапазоне частот является ненаправленным (фиг.2, а), а приемник градиента давления имеет характеристику направленности, описываемую полиномом Лагранжа (в виде “восьмерки”) (фиг.2, б). Частотная характеристика приемника градиента давления, снятая в единицах давления, представляет собой монотонно нарастающую функцию с крутизной нарастания 6 децибел на октаву (фиг 3, б), чувствительность приемника давления не зависит от частоты (фиг.3, б).
Приведенные диаграммы направленности и частотные характеристики практически совпадают с расчетными и экспериментальными, снятыми до и после объединения приемников в комбинированный акустический приемник, что позволяет говорить об отсутствии значимого влияния приемника давления и приемника градиента давления друг на друга.
Конструкция комбинированного приемника проста и технологична, он имеет малые габариты, симметричное построение обеспечивает единство фазовых центров, сохраняет присущие каждому приемнику характеристики направленности и чувствительности. Взаимное влияние параметров приемника градиента давления и приемника давления друг на друга не обнаружено. Комбинированный приемник может одинаково быть использован в различных, в том числе проводящих средах (например, вода), если принять меры по электрической изоляции. Все это позволяет считать задачу изобретения решенной.
Источники информации.
1. Г.К.Скребнев “Комбинированные гидроакустические приемники”. СПб, 1997.
2. MOBILE SUPERLOW-FREQUENCY SEISMOACOUSTIC INFORMATION/MEASURING SYSTEM V.P.Dmitrichenko, Cand.Sc., V.N.Kochedykov, Cand.Sc., AP.Ushakov, Dr.Sc.,S.V.Tvaradze. The Central Research Institute "Gidropribor", Si-Petersburg, Russia.
3. P.Боббер “Гидроакустические измерения.” - М., “Мир”, 1974, с.314-317.
Акустический приемник, содержащий приемник градиента давления, состоящий из металлической втулки, в центральном поперечном сечении которой установлен герметично и жестко скрепленный по контуру с внутренней поверхностью втулки биморфный изгибный чувствительный элемент, содержащий металлическую мембрану с приклеенным к ней пьезокерамическим диском, отличающийся тем, что в него введен пьезокерамический цилиндр, диаметр которого больше диаметра металлической втулки, установленный с ней соосно и симметрично, герметично соединенный с ней по торцам так, что между наружной поверхностью металлической втулки и внутренней поверхностью пьезокерамического цилиндра имеется зазор, образующий с металлической втулкой приемник давления.
