RU3672U1 - Ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель для воздушной среды - Google Patents

Abstract

1. Ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель для воздушной среды, содержащий стержневой акустический концентратор с элементами крепления его к внешней опоре и торцевой поверхностью широкого конца - к рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя, отличающийся тем, что узкий конец стержневого акустического концентратора жестко и соосно прикреплен к внутренней поверхности тонкостенной выпуклой излучающей оболочки в форме части тела вращения, например полусферы.2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический преобразователь состоит из тыльной и рабочей частотопонижающих накладок, между которыми установлены плоские, поляризованные по высоте пьезокерамические элементы.3. Излучатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что акустический концентратор выполнен заодно с рабочей накладкой пьезоэлектрического преобразователя.

Description

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

дм ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к области устройств, преобразующих электрические колебания в акустические, и может быть использована как мощный слабонаправленный акустический источник для облучения значительных площадей и объемов замкнутых помещений (залов, офисов, кладовых продовольственных баз,ТРЮМОВ ) в ультразвуковой аппаратуре охранном сигнализации и отпугивания вредных животных.

Известны ультразвуковые пьезоэлектрические излучатели для воздушной средн. Так в книге Бабикова О.И. Контроль уровня с помощью ультразвука, Л., Энергия, 1971 г для излучения в газолую среду ультразвука предложен электроакустический преобразователь, состоящий из плоского пьезокерамического элемента с тыльной и рабочей часто то понижающий накладками.

Достоинством такого преобразователя-излучателя является простота конструкции. К его недостатку следует отнести относительно малую из условия обеспечения прочности для пьезокерамики максимально возможную амплитуду колебаний излучающей поверхности рабочей накладки что ограничивает для преобразователя допустимую удельную мощность акустического излучения. Повышение абсолютной акустической мощности излучения преобразователем посредством увеличения площади поверхностей пьезокерамического элемента и накладок, неизбежно приводит к недопустимому уменьшению раствора характеристики направленности излучения. В патенте США № 2832058, опубликованном 22.04.58г., для

расширения характеристики направленности излучения и приема плоская поверхность пьезоэлектрического преобразователя снабжена пластмассовой линзой Достоинством акустического излучателя с линзой являета возможность получения относительно широкой (до 150 ) характеристики направленности при использовании излучающей поверхности большой площади. К недостатку его следует отнести весьма низкую эффективность преобразования

электрической энергии в акустическую иэ-за чрезвычайно малого

-3 (менее 10 ) коэффициента пропускания ультразвука через граничные поверхности акустический преобразователь-линза и линза -воздух.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь по авторскому свидетельству СССР № 236108 Рудашевского Г.Е. и Горбатова А.А.,опубликованного 24.01.69г. Преобразователь содержит пьезоэлектрический диск, рабочий и вспомогательный стержневые акустические концентраторы, закрепленные соосно с диском. Узкий конец рабочего стержневого акустического концентратора заканчивается плоский излучающим поршнем. Возможность излучения в воздух ультразвука с относительно большой удельной интенсивностью обеспечивается трансформацией малых амплитуд смещения торца пьезодиска в большие амплитуды смещения узкого конца рабочего акустического концентратора и поршня.

Достоинством ультразвукового излучателя по авторскому свидетельству №236108 является возможность получения относительно

.. л Ватта) абсолютная мощность излучения ультразвука в воздух. Увеличение излучающей поверхности поршня, как уже отмечалось, приводит к сужению (до нескольких градусов) раствора характеристики направленности излучения ультразвука. Кроме того максимальный поперечный размер поршня с плоской поверхностью из условия исключения изгибннх колебаний, не должен превышать половины длины волны ультразвука в его материале.

Целью настоящей полезной модели является создание щного (Ватты и более) слабонаправленного (с характеристикой направленности более 90°) пьезоэлектрического излучателя ультразвука для воздушной среды.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый пьезоэлектрический излучатель для воздушной среды содержит стержневой акустический концентратор с элементами его крепления к внешней опоре и торцевой поверхностью широкого конца - к рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя. Узкий конец акустического концентратора торцевой поверхностью жестко и соосно присоединен к внутренней стороне тонкостенной выпуклой оболочки в форме тела вращения, например, полусферы. Пьезоэлектрический преобразователь излучателя состоит из тыльной и рабочей частотопонижающих накладок, между которыми установлены плоские, поляризованные по высоте пъезокераыичеекие элементы, причем рабочая накладка выполнена заедино с акустическим концентратором.

Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой представлен чертеж (без элементов крепления) предлагаемого ультразвукового пьезоэлектрического излучателя для воздушной среды с выпуклой излучающей оболочкой в форме полусферы.

Предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель для воздушной среды состоит (смотрите фигуру, где он изображен в виде тела вращения) из пьезоэлектрического преобразователя, содержащего один, два или несколько плоских пьезокерамических элементов I от поверхностных электродов которых вьшедены проводники 2. Для повышения акустико-электрического КПД преобразователя плоские дьезокерамические элементы поляризованы по высоте. К внешним плоским поверхностям крайних пьезокерамические элементов прикреплены плоские ч ас то то понижающие накладки - тыльная 3 и рабочая 4. Внешняя (рабочая) поверхность рабочей накладки яеско связана с торцевой поверхностью широкого конца стержневого акустического концентратора 5. С точки зрения упрощения конструкции и повышения надежности излучателя предпочтительным является выполнение рабочей накладки 4 заедино с акустическим концентратором 5 из одного и того же материала в виде одной детали. К торцевой поверхности узкого конца акустического концентратора жестко и соосно крепится внутренней поверхностью тонкостенная выпуклая оболочка 6 в форме части тела вращения (на фигуре оболочка в форме полусферы).

Предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь для воздушной среды работает следующим образом.

К проводникам 2 пъезокерэпических элементов I подводится переменное электрическое напряжение возбуждения, номинальная частота которого соответствует резонансной механической частоте пьезоэлектрического преобразователя, включающего в себя кроме пьезокерамических элементов I, тыльную 3 и рабочую 4 чатопередаются на торец широкого конца стержневого акустического концентратора 5 и распространяются до нему к узкому концу, который приводит 2 колебательное движение жестко и соосно прикрепленную к нему тонкостенную выпуклую оболочку в форме части тела вращения 6, например, как на фигуре - в форме полусферы.

Стержневой акустический концентратор 5 предназначен для усиления амплитуды ультразвуковых колебаний внешней плоской поверхности рабочей накладки 4, жестко прикрепленной к торцевой поверхности широкого конца акустического концентратора. Коэффициент усиления амплитуды ультразвуковых колебаний определяется отношением площадей поверхностей торцов широкого и узкого концов концентратора, а также формой его продольного сечения (ступенчатой, конической, экспоненциальной и другими, в том числе составными из них) Формулы для расчета коэффициентов усиления стержневых акустических концентраторов любой формы продольного сечения известны и приводятся в технической литературе по ультразвуковой технике.

В изображенном на фигуре излучателе применен относительно широкополостный составной стержневой акустический концентратор в виде усеченного конуса с цилиндрическим стержнем при вершине. Для него коэффициент усиления Мр - отношение амплитуды колебаний на узком конце концентратора к амплитуде колебаний на его широком конце равен

MD

р I (/V-IJCoskffSin t+kffCo ff)

0 - диаметр основания усеченного конуса ; ф - диаметр цилиндрического стержня ;

L , рт /А А длина ультразвуковой волны в матеЈ, - высота усеченного конуса ; 1г - длина цилиндрического стержня.

В каждом конкретном случае выполнения предлагаемого излучателя может быть применен концентратор любой известной формы. Например, если требуется большое усиление при узкой частотной полосе излучаемого сигнала, более препочтительным может быть ступечатыя стержневой акустический концентратор в виде двух цилиндров высотой Ак/ и диаметрами 0 и 0f , причем ,. Коэффициент усиления такого концентратора равен Мр (0/tfi)

Элементы крепления концентратора к преобразователю и внешней опоре, а также частотепонижающих накладок к пьезокерамическим элементам ощеизвестны Весьма трудоёмко изложить их всевозможные сочетания конструктивного оформления, а так как это не имеет принципиального значения для сущности полезной модели, то соответствующие элементы крепления не описываются и не приведены на фигуре.

Предлагаемый ультразвуковой излучатель теоретически относится к так называемым осциллирующим акустическим источникам Акустическая мощность ег° излучения в общем виде равна

% 15 zs v.}(1)

где Z$ - сопротивление излучения акустического источника; V0 - амплитуда колебательной скорости излучающей оболочки акустического источника, lie ли размеры излучающей оболочки больше длины волны в возриале концентратора ;

духе, то сопротивление ее излучения в осциллирующем акустическом источнике при прочих равных условиях зависит от формы оболочки. Для выпуклых оболочек в виде части сферы или близких ей да форме оно составляет

2S о.зз Sob (ft св), ( г }

где S05 площадь поверхности оболочки ; РЈ - плотность воздуха ; С$ - скорость звука в воздухе.

Из выражений ( I ) и ( 2 ) следует, что для излучения в воздух ультразвука значительной мощности необходимо увеличи вать площадь поверхности и амплитуду колебаний излучоющей оболочки.

В предлагаемом по настоящей полезной модели ультразвуковом пьезоэлектрическом излучателе применение стержневого акустического концентратора позволяет в десятки раз увеличить амплитуду колебаний прикрепленной к его узкому концу выпуклой излучающей оболочки, выбранная форма которой практически не ограничивает ее размеры, определяемые из условия получения необходимой акустической мощности ультразвукового излучения. Яри этом оболочка должна быть тонкостенной, чтобы иметь малуюмассу, и одновременно достаточно прочной, чтобы не дэформироваться при значительных нагрузках, имеющих место при колебании ее с большими амплитудами.

Характеристика направленности излучения осциллирующей оболочки в виде пустотелой сферы или близкой ей по форме соответствует выражению

где Рд - акустическое давление ультразвука в воздухе

под углом В к оси излучателя ; Рт - акустическое давление ультразвука в воздухе

на оси излучателя. Для полусферы имев л -904 9$ +90.°

Раствор характеристики направленности 2. в находится из соотношения

РЬ /Рт -- °- с )

откуда из выражения ( 3 ) получаем 90 160° и 26 120

Здесь PQO - акустическое давление ультразвука по уровню 0,5 при отклонении от оси на угол 00.

Согласно выражению ( 3 ) характеристика направленности

осциллирующей сферы имеет форму двух соосных шаров, характеристика направленности осциллирующей полусферы - в виде одного соосного шара (на фигуре пунктиром изображено ее сечение в плоскости чертежа).

Осциллирующая оболочка в виде части сферы теоретически должна иметь характеристику направленности из основного шара по оси излучателя вперед и засветку ультразвуком назад тем большую, чем форма оболочки ближе к шару.

Был изготовлен экспериментальный образец ультразвукового (на часоту 25 кГц) пьезоэлектрического излучателя по данной полезной модели с тонкостенной излучающей оболочкой - полусферой из алюминия, tfro испытания подтвердили практическую возможность создания мощного (до нескольких десятков акстических ватт) слабонаправленного ультразвукового излучателя для воздушной среды. Характеристика направленности излучателя

-

вперэд была близка к расчетной по выражению ( 4 ). Наблюдалась акустическая засветка назад, обусловленная дополнительным излучением в воздух ультразвука наружными поверхностями пьезоэлектрического преобразователя, концентратора, элементами крепления и внутренней поверхностью оболочки. Таким образом ненаправленность реального излучателя больше, чем теоретическая для единичной осциллирующей полусферы.

Следует отметить, что предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель является обратимым, то есть при необходимости он может функционировать как приемник ультразвуковых колебаний в воздушной среде на частотах, близких к частоте электромеханического резонанса преобразователя.

Claims (3)

1. Ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель для воздушной среды, содержащий стержневой акустический концентратор с элементами крепления его к внешней опоре и торцевой поверхностью широкого конца - к рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя, отличающийся тем, что узкий конец стержневого акустического концентратора жестко и соосно прикреплен к внутренней поверхности тонкостенной выпуклой излучающей оболочки в форме части тела вращения, например полусферы.

2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический преобразователь состоит из тыльной и рабочей частотопонижающих накладок, между которыми установлены плоские, поляризованные по высоте пьезокерамические элементы.

3. Излучатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что акустический концентратор выполнен заодно с рабочей накладкой пьезоэлектрического преобразователя.