ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к пьезокерамическим преобразователям изгиба и служит для преобразования электрической энергии в механическую, с целью создания вибрационных колебаний маскирующих информативный сигнал.
Из патентной литературы известна вибрационная маскирующая звук система, скрывающая звуки в комнате или здании путем создания вибраций частей строения, включающая звуковой генератор (Патент США №4098370, кл. Н 05 К 5/00 от 1978 г.).
Основным недостатком известного вибропреобразователя является использование акустических волн для возбуждения вибрационных колебаний. Подобный вибропреобразователь не гарантирует помех заданной амплитудно-частотной характеристикой.
Наиболее близким к предложенной полезной модели является электроакустический преобразователь, содержащий цилиндрический корпус, кольцевой автономный узел преобразователя, выполненный в виде кольцевого диска, состоящего из двух скрепленных кольцевых пластин, снабженных инерциальным элементом, установленных между цилиндрическими элементами в корпусе. Первая пластина представляет собой элемент, который приобретает пьезоэлектрические свойства под действием потенциала поляризации постоянного тока и имеет поперечные размеры, способные меняться под действием проводящего переменный ток средства воздействия названным потенциалом поляризации постоянного тока на первую пластину. Вторая пластина выполнена из металла, при этом ее поперечные размеры не меняются под действием переменного тока, и имеет
секционированный электрод, соединенный с источником потенциала поляризации постоянного тока и имеющий противоположную полярность при поляризации этого элемента (см. Патент США №2967957 кл. 310-9.4, от 1961 г.).
Преобразователь служит для возбуждения вибрационных колебаний в среде с низким акустическим сопротивлением. К недостаткам этого известного устройства можно отнести сложную систему передачи колебаний пьезоэлемента.
Технической задачей предложенной полезной модели является создание простого в конструктивном исполнении устройства защиты от утечки звуковой информации, путем возбуждения вибрационных колебаний в различных массивных строительных конструкциях, на которых оно закреплено (стены, колонны, перекрытия, ригели и т.д.), обеспечивающего заданную амплитудно-частотную характеристику.
Поставленная техническая задача достигается за счет того, что предлагается пьезоэлектрический акустический преобразователь, выполненный с возможностью закрепления на строительной конструкции, содержащий металлическую мембрану выполненную с выступом по периферии, посредством которого жестко соединена с инерциальным элементом, со стороны которого покрыта слоем диэлектрика и через пластину жестко соединена с пьезокерамическим диском, а с противоположной стороны металлическая мембрана в центральной ее части снабжена выступом для жесткого крепления к строительной конструкции, при этом пластина и пьезокерамический диск установлены с возможностью подачи электрического сигнала. Высота пьезокерамического диска h находится в пределах от 0,25 мм до 0,5 мм, а его
диаметр D находится в пределах от 18 мм до 28 мм, в качестве диэлектрика использован слой окиси алюминия.
Для увеличения амплитуды колебаний в области высоких частот представлен второй вариант выполнения предлагаемой полезной модели, в котором преобразователь содержит механический резонатор.
Согласно второго варианта выполнения пьезоэлектрический акустический преобразователь содержит металлическую мембрану, выполненную с выступом по периферии, посредством которого жестко соединена с первым инерциальным элементом, со стороны которого покрыта слоем диэлектрика и через пластину жестко соединена с пьезокерамическим диском, а с противоположной стороны металлическая мембрана снабжена выступом, на котором жестко закреплен механический резонатор, содержащий второй инерциальный элемент, соединенный по периферии с цилиндрическим элементом, основанием которого является упругая мембрана, внешняя сторона которой в центральной части снабжена выступом для жесткого крепления к строительной конструкции. Высота пьезокерамического диска h находится в пределах от 0,25 мм до 0,5 мм, а его диаметр D находится в пределах от 18 мм до 28 мм.
Собственная частота механического резонатора соответствует верхней граничной чистоте рабочего диапазона устройства. Указанные преобразователи предназначены для возбуждения вибрационных колебаний в строительных конструкциях, обладающих повышенным затуханием вибрационных колебаний в области высоких частот.
На чертежах представлены два варианта выполнения полезной модели.
Фиг.1 изображает схему выполнения пьезоэлектрического акустического преобразователя (первый вариант);
Фиг.2 - схема выполнения преобразователя с механическим резонатором (второй вариант).
Пьезоэлектрический акустический преобразователь (первый вариант) включает инерциальный элемент 1 (Фиг.1), который жестко соединен с металлической мембраной 3 через выступ 2, выполненный по ее периферии. Мембрана 3, покрыта слоем диэлектрика 4 и через пластину 5 жестко соединена с пьезокерамическим диском 6, например, слоем клея, который обладает высокой жесткостью. Пластина 5 и пьезокерамический диск 6 установлены с возможностью подачи электрического сигнала через подводящий кабель 7 с разъемом 8, размещенным в штуцере 9, выполненном в выступе 2. С противоположной от инерциального элемента 1 стороны металлическая мембрана 3 снабжена выступом 10 для жесткого крепления к строительной конструкции 11 через осевой элемент 12.
Пьезоэлектрический акустический преобразователь, согласно второго варианта выполнения включает металлическую мембрану 3 (фиг.2) с выступом 2 по периферии, посредством которого она жестко соединена с первым инерциальным элементом 1, со стороны которого покрыта слоем диэлектрика 4. Мембрана 3 через пластину 5 жестко соединена с пьезокерамическим диском 6, а с противоположной стороны снабжена выступом 10, на котором жестко закреплен механический резонатор. Резонатор содержит второй инерциальный элемент 13, соединенный по периферии с цилиндрическим элементом 14, основанием которого является упругая мембрана 15, внешняя сторона которой в
центральной части снабжена резьбовым выступом 16, которым через осевой элемент 12 жестко крепится к строительной конструкции 11.
Амплитудно-частотная характеристика преобразователя сформирована таким образом, чтобы в максимальной степени компенсировать неравномерность амплитудно-частотной характеристики распространения вибрационных колебаний в строительных конструкциях на значительном отдалении от преобразователя.
Принцип действия пьезоэлектрического акустического преобразователя. Преобразователь с помощью осевого элемента 12 для жесткого крепления, например, дюбеля, имеющего внутреннюю резьбу, жестко крепится к возбуждаемой строительной конструкции 11. На преобразователь через разъем 8 подается электрический сигнал. За счет поперечного пьезоэффекта, пьезокерамический диск 6 преобразователя совершает радиальные колебания, которые через тонкую (0,1-0,2 мм) пластину 5, слой диэлектрика 6 и клея (0,01 мм) вызывают тангенциальные деформации внутренней поверхности мембраны 3, что заставляет ее совершать изгибные колебания. Закрепленная в центре колеблющаяся мембрана 3 вызывает колебательные перемещения в осевом направлении инерционного элемента 1, который жестко связан с выступом 2, выполненным по периферии мембраны 3. Колебательные ускорения инерциального элемента 1 создают знакопеременную силу, направленную по оси преобразователя, вызывающую вибрацию строительной конструкции 11, на которой он закреплен.
Для возбуждения вибрационных колебаний в строительных конструкциях с повышенным затуханием высокочастотных колебаний к пьезокерамическому
акустическому преобразователю через осевой элемент 10 с помощью резьбового соединения крепится механический резонатор. На низких частотах, механические колебания, создаваемые преобразователем, воздействуют на резонатор, и вследствие высокой жесткости его конструкции без изменений передаются на осевой элемент 12, и далее на конструкцию 11. С повышением частоты возбуждающей силы, создаваемой преобразователем, и приближением ее к значению резонансной частоты, происходит быстрое увеличение амплитуды колебаний резонатора, вследствие компенсации упругой составляющей импеданса инерциальной составляющей. На резонансной частоте, амплитуда колебаний резонатора достигает максимума и при дальнейшем увеличении частоты быстро спадает. Дополнительная сила, воздействующая на возбуждаемую конструкцию за счет применения резонатора, позволяет компенсировать потери высокочастотных составляющих механических колебаний в материале возбуждаемой конструкции.
Основные отличительные особенности пьезоэлектрического акустического преобразователя.
1. Преобразователь предназначен для работы в составе активных систем защиты информации и представляет собой резонансную механическую систему, собственная частота которой, определяемая величиной инерционной массы и жесткостью мембраны, соответствует нижней граничной частоте рабочего диапазона.
2. Амплитудно-частотная характеристика коэффициента электромеханической связи преобразователя сформирована таким образом, чтобы обеспечить максимальное соответствие спектра вибрационных ускорений, возбуждаемых в
защищаемых конструкциях, спектру электрического сигнала, подаваемого на вход преобразователя.
3. Для создания осевой знакопеременной силы используются изгибные колебания мембраны, жестко соединенной по периферии с инерционной массой, возбуждаемые за счет создания на внутренней поверхности мембраны тангенциальных механических напряжений.
4. Тангенциальные механические напряжения мембраны создаются радиальными колебаниями жестко связанного с ней пьезокерамического диска за счет поперечного пьезоэффекта.
5. Для создания максимальных радиальных усилий применяются тонкие (h=0,25÷0,5 мм) с большим диаметром (D=18÷28 мм) пьезокерамические диски, изготовленные из пьезокерамики ЦТСНВ-1 (см. «Проектирование датчиков для измерения механических величин» под ред. 1. т.н. проф. Е.П.Осадчего изд. «МАШИНОСТРОЕНИЕ», Москва, 1979 г.), обладающей наилучшим сочетанием величины поперечного пьезомодуля и коэффициента электромеханической связи к=0,7.
6. Для обеспечения электрической изоляции внешних поверхностей преобразователя от электрического напряжения подаваемого сигнала, используется тонкий слой окиси алюминия, наносимый на поверхность мембраны электрохимическим способом.
7. Для крепления преобразователя, передач колебаний и механического согласования преобразователя со средой (различные материалы строительных конструкций) применяются два типа дюбелей: стальной ⌀ 8*h36 или дюралевые ⌀ 12*h50.
8. Для работы на строительных конструкциях, обладающих высокими потерями вибрационных колебаний в области высоких частот, на преобразователя устанавливается дополнительно механический резонатор для усиления высокочастотной составляющей вибрационных колебаний.