Широкополосный электроакустический преобразователь

Изобретение относится к ультразвуковой технике. Техническим результатом изобретения является расширение полосы пропускания электроакустического преобразователя с обеспечением возможности изменения ее величины. Широкополосный электроакустический преобразователь содержит активный элемент, рабочая грань которого имеет жесткое сочленение с пассивной накладкой, соединенной с демпфером, дополнительные демпферы соединены с пассивной накладкой и тыльной гранью активного элемента. В качестве дополнительных демпферов могут быть использованы реактивные демпферы, выполненные из материала, акустическое сопротивление которого меньше акустического сопротивления активного элемента. Реактивные демпферы выполняются из вязкоупругого материала с возможностью изменения их длин. В электроакустическом преобразователе могут быть использованы активные демпферы. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для создания высокоэффективных широкополосных электроакустических преобразователей с высокой разрешающей способностью.

Известен электроакустический преобразователь, представляющий собой планарный композитный (мозаичный) пьезопреобразователь, состоящий из 3 или 4 групп пьезоэлементов разных типоразмеров, расположенных на плоской подложке - протекторе и скрепленных в единую конструкцию с помощью эпоксидной смолы [1]. Такая конструкция за счет возбуждения различных мод колебаний пьезоэлементов одного типоразмера позволяет обеспечить октавную суммарную широкополосность (В.П.Аксенов, В.П.Попко и др. «Применение пьезокерамических мозаичных электроакустических преобразователей», Тр. МЭИ, 1977. Вып.335. С.49-52).

Однако планарные композитные пьезопреобразователи не свободны от недостатков, к числу которых можно отнести существенную неоднородность топологической структуры и сильное акустическое и электрическое взаимовлияние групп преобразователей. Первый приводит к появлению значительной неоднородности акустического поля, второй - к снижению чувствительности контроля и может влиять на его достоверность.

В современной ультразвуковой технике при изготовлении широкополосных электроакустических преобразователей демпферы для демпфирования тыльной грани активного элемента изготавливают из материалов с высоким коэффициентом затухания и сравнительно большим удельным акустическим сопротивлением. В этом случае демпфирование основано на поглощении материалом демпфера части энергии колебаний активного элемента и оказывается малоэффективным в области частот ниже 500 кГц по следующим причинам:

- трудность создания материалов с достаточно высоким коэффициентом затухания в указанной области частот, что вызывает значительное увеличение габаритов и веса преобразователей в целом;

- высокая степень неидентичности параметров у групп однотипных преобразователей;

- невозможность (при необходимости) изменить (отрегулировать) ширину полосы пропускания.

В качестве прототипа принят электроакустический измерительный преобразователь содержащий активный элемент, наложенный на него компаунд и полиэтиленовую оболочку, контактирующую с компаундом, при этом полиэтиленовая оболочка выполнена шероховатой по поверхности контакта с компаундом (RU 2031547 C1, H04R 17/00, 20.03.95).

В известной конструкции увеличение площади соприкосновения, изменение структуры поверхности полиэтилена (с возможной последующей химической модификацией) улучшают адгезию между полиэтиленом и заливками и тем самым стабилизируют характеристики направленности измерительного преобразователя.

Недостатком известного электроакустического измерительного преобразователя является недостаточно широкая полоса пропускания и невозможность обеспечить изменение ее величины. Недостаток обусловлен тем, что используемое в настоящее время демпфирование основано на поглощении материалом демпфера части энергии колебаний активного элемента и оказывается, как это отмечалось выше, малоэффективным в области частот ниже 500 кГц.

Технический результат заключается в расширении полосы пропускания электроакустического преобразователя с обеспечением возможности изменения ее величины.

Технический результат достигается тем, что широкополосный электроакустический преобразователь, содержащий активный элемент, рабочая грань которого имеет жесткое сочленение с пассивной накладкой, соединенной с демпфером, снабжен дополнительными демпферами, соединенными с пассивной накладкой и тыльной гранью активного элемента.

В широкополосном электроакустическом преобразователе в качестве дополнительных демпферов могут быть использованы реактивные демпферы, выполненные из материала, акустическое сопротивление которого меньше акустического сопротивления активного элемента. В частности, реактивные демпферы выполняют из вязкоупругого материала.

Для обеспечения регулировки ширины полосы пропускания реактивные демпферы выполнены с возможностью изменения их длин.

В электроакустическом преобразователе могут быть использованы активные демпферы.

Принципиальное отличие предлагаемого технического решения заключается в том, что демпфирование увеличивается не за счет увеличения активного поглощения материалом демпфера части энергии колебаний тыльной грани активного элемента, а за счет одновременного динамического подтормаживания как передней, так и тыльной граней активного элемента реактивными демпферами из материалов с малым коэффициентом затухания и малым удельным акустическим сопротивлением. В этом случае сопротивление реактивных демпферов не поглощает необратимо энергию, а создает реакции действующим силам в определенной полосе частот за счет обратимого запасания энергии, причем эта полоса частот определяется и коэффициентом затухания материала. Величина реакции действующих сил, подтормаживающих одновременно как тыльную грань, так и рабочую (переднюю), находится в зависимости от длин реактивных демпферов, что дает возможность простой и надежной регулировки степеней демпфирования, определяющих полосу пропускания электроакустических преобразователей.

На фиг.1 представлена упрощенная динамическая модель, иллюстрирующая соединения элементов механической колебательной системы у электроакустических преобразователей, в которых использованы предлагаемые средства демпфирования (Zs - сопротивление демпфера, Zд₁ и Zд₂ - сопротивления дополнительных демпферов). На фиг.2 показано изменение величины входного акустического сопротивления реактивных демпферов Zд₁ и Zд₂ в зависимости от их волновых толщин l₁ и l₂ соответственно.

Реактивные сопротивления демпферов Zд₁ и Zд₂ одновременно подтормаживают внутреннюю поверхность пассивной накладки 1, колеблющуюся (ξ₁) совместно с передней гранью 2 активного элемента 3, и тыльную грань 4. В данном случае имеется возможность раздельного регулирования степени демпфирования как передней грани 2 активного элемента 3, так и тыльной грани 4. Плавность регулирования величин демпфирующих сил достигается соответствующим подбором волновых длин активных элементов и соотношения площадей пассивной накладки и передней грани активного элемента, а также волновых длин l₁ и l₂ реактивных демпферов Zд₁ и Zд₂ и подбором для них соответствующих материалов, с необходимыми величинами удельного акустического сопротивления и коэффициента потерь.

Для подтверждения возможности достижения технического результата был проведен эксперимент с использованием пьезоэлектрических преобразователей стержневого типа с общей рабочей пассивной накладкой. Активные элементы выполнены в виде мозаики из пьезоэлементов, наклеенных с определенным зазором (δ) между собой на общую рабочую пассивную накладку, заливались компаундами КТ102 или КТ65 без наполнителя, причем создавалась хорошая адгезия компаундов как с тыльными гранями пьезоэлементов, так и с пассивными накладками, к которым был обеспечен доступ соответствующими зазорами (δ) между пьезоэлементами. Высота слоя заливки над пассивными накладками и тыльными гранями активных элементов подбиралась кратной четверти длины акустической волны в материалах компаундов на резонансной частоте преобразователя. После отверждения компаундов производилась настройка преобразователей на максимальную ширину полосы пропускания путем проточки демпфера на токарном станке. Для сравнения параметров преобразователи подвергались измерениям как перед заливкой, так и после настройки демпферов. Полученные экспериментальные данные сведены в таблицу 1. Контроль за изменением ширины полосы пропускания производился по экспериментальным частотным характеристикам во время проточки демпфера.

Таблица 1
Номер прибора	6	4	510	46	101	209
Материал демпфера	КТ-102	КТ-102	КТ-102	КТ-65	КТ-65	КТ-65
Δf, % до заливки и настройки	4,46	6,5	7,0	4,48	5,0	5,2
Δf, % после заливки и настройки	20,87	28,4	33,0	26,0	24,0	25,3

Данные по регулировке ширины полосы пропускания иллюстрируются графиком, приведенным на фиг.3, где приведена зависимость полосы пропускания Δf от изменения соотношений волновых длин l к длине волны λ(1/λ).

1. Широкополосный электроакустический преобразователь, содержащий активный элемент, рабочая грань которого имеет жесткое сочленение с пассивной накладкой, соединенной с демпфером, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными демпферами, соединенными с пассивной накладкой и тыльной гранью активного элемента.

2. Электроакустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительных демпферов использованы реактивные демпферы, выполненные из материала, акустическое сопротивление которого меньше акустического сопротивления активного элемента.

3. Электроакустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что реактивные демпферы выполнены из вязкоупругого материала.

4. Электроакустический преобразователь по п.2, отличающийся тем, что реактивные демпферы выполнены с возможностью изменения их длин.

5. Электроакустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в нем использованы активные демпферы.