СОСТАВНОЙ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
COMPOSITE ELECTRO-ACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к области приборостроения, а именно, к конструкциям составных электроакустических преобразователей, содержащих пьезокерамические активные элементы.
В электроакустике, в том числе в гидроакустике, широкое применение находят составные электроакустические преобразователи, представляющие собой конструкции, основным компонентом которых является блок соединенных между собой активных пьезокерамических элементов (далее пьезоэлементы), изготовленных из керамики на основе цирконата-титаната свинца [см., например, RU2554591, RU2552591].
Указанные пьезоэлементы соединены друг с другом своими торцевыми поверхностями с помощью слоя отверждаемого в процессе полимеризации эпоксидного клея. В частности, в приведенных выше технических решениях использован эпоксидный клей марки ДМ- 5-65.
Известен составной электроакустический преобразователь [ж. Морские интеллектуальные технологии. №4-1(46), 2019, с. 178-181].
Данный преобразователь содержит блок кольцевых пьезокерамических активных элементов, изготовленных из пьезокерамического материала системы цирконата-титаната свинца (ЦТС), а именно из материала ЦТСтБС-2.
Пьезоэлементы соединены друг с другом своими торцевыми поверхностями с помощью слоя отвержденного эпоксидного клея, содержащего в качестве одного из неорганических дисперсных наполнителей также относящийся к системе цирконата-титаната свинца керамический материала ЦТБС-3.
В рассматриваемом преобразователе за счет близости химической природы материала пьезоэлементов и материала используемого в составе эпоксидного клея неорганического дисперсного наполнителя удалось достигнуть высокой стабильности электрофизических характеристик, о чем свидетельствует малый разброс значений электрофизических характеристик преобразователей в пределах одной изготавливаемой партии.
Известен составной электроакустический преобразователь [RU208855], выбранный в качестве ближайшего аналога.
Данный преобразователь включает блок активных пьезокерамических элементов, изготовленных из пьезокерамического материала ЦТСтБС-2, соединенных между собой своими торцевыми поверхностями с помощью слоя отвержденного эпоксидного клея, содержащего эпоксидную смолу ЭД-20 в качестве связующего в количестве 100 масс. долей, малеиновый ангидрид в качестве отвердителя в количестве 50 масс. долей и триэтаноламин в качестве катализатора отверждения в количестве 0,6 масс. долей, а также неорганический дисперсный наполнитель, включающий пьезокерамический материал ЦТСтБС-2 в количестве 100 масс. долей, оксид алюминия в количестве 50 масс. долей и оксид цинка в количестве 10 масс. долей.
Благодаря использованию в составе неорганического наполнителя эпоксидного клея пьезокерамического материала, имеющего ту же химическую природу и тот же химический состав, что и пьезокерамический материал, из которого изготовлены пьезоэлементы, а именно, материала ЦТСтБС-2, достигнуто улучшение ряда его важных электрофизических характеристик.
Однако как показали исследования авторов, данный преобразователь имеет недостаточно высокий показатель величины добротности.
Проблемой, решаемой при реализации заявляемого изобретения, является повышение величины добротности электроакустического преобразователя.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в составном электроакустическом преобразователе, включающем блок активных пьезокерамических элементов, изготовленных из пьезокерамического материала ЦТСтБС-2, соединенных между собой своими торцевыми поверхностями с помощью слоя отвержденного эпоксидного клея, содержащего эпоксидную смолу ЭД-20 в качестве связующего в количестве 100 масс. долей, малеиновый ангидрид в качестве отвердителя в количестве 50 масс. долей и триэтаноламин в качестве катализатора отверждения в количестве 0,6 масс. долей, а также неорганический дисперсный наполнитель, включающий оксид алюминия в количестве 50 масс. долей, оксид цинка в количестве 10 масс. долей и пьезокерамический материал ЦТСтБС-2, согласно изобретению количество пьезокерамического материала ЦТСтБС-2, используемого в составе неорганического дисперсного наполнителя, составляет 80 масс. долей.
Материал ЦТСтБС-2, используемый для изготовления пьезоэлементов, обладает совокупностью свойств, обеспечивающих его успешное применение в электроакустике.
За счет использования в заявляемом преобразователе слоя отвержденного эпоксидного клея, имеющего указанный выше качественный и количественный состав, обеспечивается неразъемное прочное соединение активных пьезокерамических элементов друг с другом.
Благодаря тому, что пьезокерамический материал, входящий в состав наполнителя эпоксидного клея, имеет ту же химическую природу и тот же химический состав, что и пьезокерамический материал, из которого изготовлены пьезоэлементы, при этом и в том, и в другом случае использован материал ЦТСтБС-2, в заявляемом преобразователе достигнуто улучшение ряда его важных электрофизических характеристик.
Принципиально важным в заявляемом изобретении является то, что содержание пьезокерамического материала ЦТСтБС-2 в составе эпоксидного клея, составляет 80 масс. долей.
Как показали проведенные авторами экспериментальные исследования, при использовании в заявляемом преобразователе эпоксидного клея вышеуказанного состава достигается относительно высокое значение величины добротности.
Добротность является количественной характеристикой резонансных свойств колебательной системы (частным случаем которой является составной электроакустический преобразователь), указывающей, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте много ниже резонансной при одинаковой амплитуде вынуждающей силы.
Добротность Q электроакустического преобразователя определяется выражением:
где
p
ƒ - резонансная частота;
Δf - резонансный промежуток;
p
U - напряжение на резонансе;
a
U - напряжение на антирезонансе.
Значение параметра добротности характеризует величину излучаемой мощности. Чем выше значение добротности, тем выше величина излучаемой мощности и, в конечном итоге, тем выше коэффициент полезного действия (КПД) электроакустического преобразователя.
В ходе сравнительных испытаний акустических преобразователей, изготовленных с использованием эпоксидного клея с различным содержанием материала ЦТСтБС-2, были получены следующие значения Q:
Q при содержании ЦТСтБС-2 60 масс. долей = 106,5
Q при содержании ЦТСтБС-2 80 масс. долей = 138,6
Q при содержании ЦТСтБС-2 100 масс. долей = 111,3
Q при содержании ЦТСтБС-2 120 масс. долей = 80,8.
Как видно, при содержании материала ЦТСтБС-2 равном 80 масс. долей, достигается наибольшее значение величины добротности.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является повышение величины добротности электроакустического преобразователя, что способствует достижению его более высокого КПД.
На чертеже представлен общий вид составного электроакустического преобразователя.
Преобразователь содержит блок активных пьезокерамических элементов 1 (позицией на фигуре обозначен один элемент), имеющих, в частности, форму плоской кольцевой шайбы.
0,86
0,7
0,07
0,535
0,465
3
1/4
3
2
3
Пьезокерамические элементы 1 изготовлены из выпускаемого промышленностью материала ЦТСтБС-2, представляющего собой твердый раствор системы ЦТС состава 0.98[(PbSrBa) (ZrTi)]O+0,02[ZnBiMn]O+0,65 мол%LaO.
Каждый пьезоэлемент 1 снабжен расположенным на его торцевой поверхности электродом (на чертеже не показан), в частности, электродом из серебра. К каждому из электродов подведен электрический провод 2 (позицией на фигуре обозначен один провод). Указанные провода 2 соединены в электрическую цепь с возможностью подключения к источнику электропитания.
Пьезоэлементы 1 соединены с помощью слоя 3 отвержденного в ходе полимеризации эпоксидного клея (позицией на фигуре обозначен один слой). Указанный эпоксидный клей, содержит неорганический дисперсный наполнитель, включающий пьезокерамический материал ЦТСтБС-2.
Состав эпоксидного клея содержит (в массовых долях) связующее, в частности, эпоксидную смолу ЭД-20 (100), отвердитель, в частности, малеиновый ангидрид (50). катализатор отверждения, в частности, триэтаноламин (0,6), дисперсные неорганические наполнители: ЦТСтБС-2 (80), оксид алюминия (50), оксид цинка (10).
Электроакустический преобразователь содержит также расположенные на противоположных торцах блока пьезоэлементов 1 тыльную и излучающую металлические накладки 4 и 5.
Электроакустический преобразователь содержит пассивные согласующие керамические кольцевые элементы 6 (позицией на фигуре обозначен один кольцевой элемент), установленные на противоположных торцевых сторонах блока пьезоэлемнтов 1.
Между кольцевым элементом 6 и излучающей накладкой 5 установлено стальное кольцо 7, способствующее улучшению акустического согласования накладки 5 с блоком пьезоэлементов 1.
Кольцевые элементы 6 с торцами блока пьезоэлеменнтов 1, накладка 4 с соответствующим кольцевым элементом 6, накладка 5 с кольцом 7, кольцо 7 с соответствующим кольцевым элементом 6 соединены с помощью слоя эпоксидного клея, в частности, с помощью эпоксидного клея, используемого в слоях 3.
Накладки 4 и 5 и расположенные между ними пьезоэлементы 1, а также элементы 6 и 7, стянуты с помощью армирующего стержня 8, снабженного гайкой 9.
Работа электроакустического преобразователя показана на примере его функционирования в режиме излучения акустических колебаний.
При подаче напряжения на электроды пьезоэлементов 1 в них возбуждаются продольные акустические колебания, ориентированные по оси стержня 8, которые излучаются через накладку 5 в окружающую среду. В частности, указанные акустические колебания воспринимаются приемником (на чертеже не показан), входящим в состав акустической аппаратуры.