НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
LOW-FREQUENCY ELECTROACOUSTIC CONVERTER

Предлагаемый преобразователь может быть использован в гидроакустике и при геофизических исследованиях.
Величина акустической мощности весьма низкочастотных преобразователей ограничивается динамической прочностью колебательной системы в районе резонанса, а вне резонанса - коэффициентом электромеханической связи системы преобразования энергий и ее энергоемкостью.
Наиболее перспективными резонансными излучателями весьма низших звуковых и инфразвуковых частот (20÷200) Гц, допускающими излучение больших мощностей без разрушения колебательной системы, являются преобразователи, упругий элемент колебательной системы которых выполнен в виде пружины, а элементом массы служит приемо-излучающая пластина, установленная на торце пружины и совершающая при работе поршневые колебания.
Известен низкочастотный электроакустический преобразователь с переменным магнитным зазором, представленный на фиг.1 (см. Журнал института радиоинженеров IEEE, Intern. Convention record, part 9, 1963 г. стр.57), в котором пружина 1 выполнена из пассивного материала - металла и служит только элементом упругости, а приемно-излучающая пластина 2, возбуждаемая электромагнитом 3, вместе с якорем электромагнита является элементом массы. Приемно-излучающая пластина развязана от прочного жесткого корпуса (4) элементом механической развязки (5).
Недостатками известного преобразователя являются:
1) Большой вес в основном за счет электромагнита с якорем.
2) Нестабильность излучения в области резонанса при больших амплитудах колебаний, сравнимых с величиной магнитного зазора между якорем и сердечником электромагнита.
3) Низкий коэффициент полезного действия (к.п.д. ~10%).
4) Узкая полоса рабочих частот.
m
m
Все недостатки этого преобразователя связаны с наличием у него электромагнита с якорем. Для получения большой мощности порядка 10 Вт на частоте 30 Гц, а следовательно, и больших амплитуд колебаний поршня (1÷3) мм, необходимо иметь и большой зазор. Известно, что с увеличением зазора при всех прочих равных условиях, уменьшается коэффициент электромеханической связи и возбуждающая сила, а следовательно, и коэффициент полезного действия и полоса излучения. С другой стороны, чтобы преобразователь был линейным, необходимо амплитуду колебаний ξ иметь значительно меньше зазора δ (при ξ≤δ из-за нелинейности магнито-механической упругости зазора колебания в области резонанса становятся неустойчивыми).
Целью настоящего изобретения является: уменьшение веса, улучшение параметров преобразователя (повышение к.п.д. и стабильности, расширение полосы излучения). Цель достигается тем, что пружина преобразователя частично или полностью выполнена из активного (магнитострикционного, пьезокерамического) материала, например, в виде работающих на колебаниях изгиба активных (биморфных, биметаллических) пластин (консольно закрепленных, либо опертых частично или полностью по контуру) или колец, расположенных друг над другом, и соединенных между собой жесткими перемычками (связями) в местах с максимальным прогибом. Таким образом, в предлагаемом преобразователе система преобразования энергии совмещена с упругим элементом - пружиной, что позволило исключить из известной конструкции преобразователя электромагнит с якорем.
Выполнение активных пластин или колец переменного сечения (с равной прочностью) по длине их позволяет дополнительно снизить вес преобразователя и несколько улучшить параметры.
Самостоятельные электрические выводы от отдельных участков по длине активной пружины обеспечивают возможность получения дополнительно более высоких резонансных частот (мод колебаний) предлагаемого преобразователя путем противофазного возбуждения отдельных участков пружины. (Аналогом данной колебательной системы является стержень с накладкой (массой)). Такая мера позволяет значительно расширить диапазон излучаемых частот.
Конструкция предлагаемого преобразователя поясняется чертежами (фиг.2 - 5). На фиг.2 показан продольный, на фиг.3 - поперечный разрез предлагаемого преобразователя с пружиной из активных консольных пластин. На фиг.4 и 5 изображена пружина из активных колец; на фиг.4 показан ее продольный разрез, а на фиг.5 - поперечный.
Пружина (1) преобразователя (см. фиг.2 и 3) собрана из консольных (равнопрочных) активных составных (пьезокерамика - металл) пластин 6, соединенных между собой жесткими перемычками 7 на одном конце и кольцами 8 на другом. Каждая из пружин 1 с одной стороны соединена с приемно-излучающей пластиной 2, а с другой - с общим основанием 4. Герметизация внутренней полости преобразователя и механическая развязка излучающих пластин от общего основания осуществлена сильфонами 5.
Пружина другой конструкции (аналогичная цилиндрической прорезной) (см. фиг.4, 5) собрана из активных (пьезокерамических биморфных или магнитострикционных биметаллических, например, никель-пермендюр) колец 6, работающих на колебаниях изгиба, перпендикулярных плоскости торцов кольца. Активные кольца расположены соосно друг над другом с некоторым зазором и торцы каждых двух соседних колец соединены в нескольких точках жесткими перемычками (связями) 7; при этом верхние перемычки одного и того же кольца сдвинуты относительно нижних на угол , где n - число перемычек между двумя соседними кольцами. (На фиг.3 и 4 для простоты изображена пружина с n=2).
С целью улучшения эксплуатационных свойств, в частности увеличения устойчивости пружины к поперечным нагрузкам, рекомендуется брать n>2.
Каждое кольцо в районе нижних перемычек имеет утоньшение, благодаря которому обеспечиваются условия, близкие к опертости (малая величина изгибающего момента в заделке).
Работа преобразователя, изображенного на фиг.2 и 3, осуществляется следующим образом.
1
2
1
2
2Σ
а) В режиме излучения: при синфазном возбуждении активных пластин 6 электрическим (магнитным) полем, каждая из них, например, первая от общего основания, прогибается так, что ее конец вместе с перемычкой 7 получает смещение ξ, вторая тоже деформируется, при этом ее начало вместе с кольцом 8 получает смещение ξ относительно конца этой же пластины и перемычки между первым и вторым кольцом. В результате начало второй пластины вместе с кольцом переместится относительно неподвижного основания на ξ+ξ. Суммарная деформация всех пластин, а следовательно, и смещение приемно-излучающей пластины относительно неподвижного основания определится как  где m - число "этажей" пружины (число пластин друг над другом). За счет деформации активных пластин 3 второй пружины вторая излучающая пластина получит смещение ξ. Поскольку внутренний объем преобразователя изолирован от внешней среды сильфонами, то преобразователь во внешней среде будет создавать объемное смещение:
1Σ
1
2Σ
2
Δυ=ξS+ξS,
1
2
1
2
1Σ
2Σ
iΣ
1
2
i
i
где Sи S - площади приемно-излучающих пластин. Если S=S=S и ξ=ξ, то Δυ=2ξ·S, в частном случае, когда ξ=ξ=ξ, Δυ=2mξS. (Этот случай реализуется всегда ниже первого резонанса, а так же в районе первого резонанса, если эквивалентная масса пружины меньше суммарной массы излучающей пластины и присоединенной массы среды). При работе на более высоких частотах (на следующих модах) отдельные участки пружины могут деформироваться в противофазе. Для более эффективной работы преобразователя необходимо и противофазное возбуждение этих участков.
Рассмотрим работу преобразователя в режиме приема. Предположим, что звуковое давление p воздействует на обе излучающие пластины, создавая усилие F=p·S. Это усилие через кольцо передается на первую от излучающей пластины активную пластину и деформирует ее, при этом в области частот ниже первого резонанса те же усилия передаются и на следующие активные пластины. Благодаря прямому пьезоэффекту (или обратному магнитострикционному) в активных пластинах возникает электрическое (магнитное) поле и в результате электрический сигнал от отдельных пластин суммируется, т.е. увеличивается удельная чувствительность преобразователя. Как показывают расчет и эксперимент, механические напряжения по длине в пластинах равного сопротивления при изгибе (переменной ширины, равнопрочных по длине) получаются постоянными, что позволяет получить максимальную удельную чувствительность при заданной статической прочности и резонансной частоте.
Аналогично вышеупомянутому работает преобразователь, содержащий другую активную пружину, например, составленную из активных колец (см. фиг.4 и 5). Необходимо заметить, что если используются кольца постоянного сечения, то у них в районе перемычек (опор) возникает изгибающий момент (например, так же, как у защемленной балки). В результате этого изгибающий момент, а следовательно, и нормальные механические напряжения по длине кольца получаются знакопеременными (противофазными). Чтобы получить максимальную эффективность преобразователя, необходимо в местах кольца с противофазными механическими напряжениями обеспечить и противофазное возбуждение (изменяя направление либо поляризующего поля, либо возбуждающего). Если для пьезокерамического кольца реализовать это просто, например заполяризовать пьезокерамику в разных направлениях, то для магнитострикционного кольца эта мера требует усложнения магнитной цепи и приводит к дополнительному рассеянию магнитной энергии и уменьшению коэффициента электромеханической связи.
Для упрощения возбуждения кольца необходимо у них в районе нижних перемычек делать утоньшения, благодаря которым можно получить изгибающий момент в заделке, близкий к нулю, следовательно, и синфазные механические напряжения по всей длине кольца. При наличии механической развязки (утоньшений) в кольце вблизи нижних пермычек достаточно на магнитострикционное биметаллическое кольцо нанести тороидальную обмотку, пропустить через нее постоянный и переменный ток, и каждое кольцо получит деформацию изгиба в направлении, перпендикулярном плоскости его торца.
Суммарная деформация пружины и смещение излучающей пластины относительно неподвижного основания определяется так же, как и для пружины, составленной из консольно закрепленных пластин
,
i
где ξ - прогиб в месте верхней перемычки кольца (для каждого кольца нижние перемычки можно считать опорами, а верхние - передающими элементами).
Исследования 2-х лабораторных макетов преобразователей, содержащих 2 вида пружин: а) составленных из пьезокерамических колец; б) консольных пластин, имеющих резонансные частоты в воздухе 24 Гц и 105 Гц, подтвердили все изложенные выше соображения.
Ранее были изготовлены действующие макеты излучателей с двумя резонансными частотами в воде 11 и 46 Гц, содержащие пружины из пьезокерамических и магнитострикционных колец, работающих на колебаниях изгиба. Расчетный к.п.д. пьезокерамического излучателя (20÷30)%, амплитуда колебаний приемно-излучающей пластины ~(5÷10) мм, диаметр пластины - 600 мм.