ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК
CYLINDRICAL PIEZOELECTRIC RECEIVER

1. Введение
Электроакустические приемники очень часто работают в условиях, когда на них воздействуют акустическое поле и вибрация. Для ослабления действия вибраций на приемники их, как правило, стремятся развязать от источника вибраций с помощью амортизирующих устройств. Однако при переходе к низким звуковым и инфразвуковым частотам добиться хорошего качества амортизации в широком диапазоне частот становится очень сложно.
Повышение виброустойчивости приемника в этом случае может быть достигнуто без применения амортизирующих устройств путем использования принципа взаимной компенсации электрических сигналов, возникающих под действием вибраций в различных частях чувствительного элемента приемника.
В настоящей заявке предлагается конструкция цилиндрического пьезоэлектрического приемника, у которого такая компенсация достигается за счет специального способа крепления чувствительного элемента. В результате чувствительность к вибрациям оказывается теоретически равной нулю, а практически значительно меньшей, чем у обычных приемников этого типа.
Область применения приемника предлагаемой конструкции - антенны для низкочастотного пеленгования и приборы для исследования низкочастотных шумовых полей.
2. Описание конструкции приемника
Предлагаемая конструкция в двух вариантах схематически представлена на фиг.1. Приемник состоит из идентичных пьезокерамических цилиндров (1), жестко скрепленных (склеенных) с металлическим диском (2). За диск производится жесткое крепление приемника к другим элементам конструкции с помощью оси (3), проходящей через его центр (фиг.1а), или концентрического перфорированного цилиндра (5), как показано на фиг.1б.
Во всех случаях наружная поверхность пьезоэлектрического цилиндра соприкасается с рабочей средой, а внутренний объем загерметизирован (например, слоем резины (4)).
Под действием приложенных к оси сил диск в общем случае совершает сложное движение, которое можно представить как отступательное, которое будем характеризовать вектором ускорения , и вращательное с угловым ускорением  (фиг.2). Будем считать оба вектора приложенными к центру диска.
Вектор ускорения  может быть разложен на две составляющие: в направлении оси цилиндра () и в плоскости, перпендикулярной оси (). При ускорении  возникает продольно растяжение и сжатие цилиндров, причем имеет место распределение механических напряжений по длине чувствительного элемента, показанное на фиг.2. Везде далее считаем, что вибрации происходят на частотах, значительно ниже резонансной частоты цилиндрического приемника. При этом можно считать, что все точки механической системы движутся с одной скоростью, а напряжения в ней определяются только силами инерции, возникающей при этом движении).
Механические напряжения разных знаков, равные по величине, вызывают при условии однородности пьезоэлектрического элемента появление равных зарядов, различающихся знаками, которые при согласном параллельном соединении электродов полностью компенсируют друг друга.
При ускорении  происходит изгиб цилиндра в плоскости, проходящей через ось цилиндра и вектор . При этом, вследствие симметрии, механические напряжения, возникающие в точках цилиндра, симметричных относительно плоскости, перпендикулярной вектору  (XOZ), равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому сумма зарядов, образующихся в каждом сечении, перпендикулярном оси цилиндра, равна нулю.
x
r
r
Вращательное движение диска также может быть разложено на две составляющие: вращение вокруг оси цилиндра с угловым ускорением ϖ и вращение с угловым ускорением ϖ (фиг.2). При вращении вокруг оси происходит скручивание цилиндра, в результате чего в нем возникают сдвиговые напряжения. Сдвиговые напряжения при используемом направлении поляризации не вызывают появления электрических зарядов на электродах. При ускорении ϖ происходит изгиб цилиндров. Аналогично тому, что имело место при ускорении , и при этом виде изгиба происходит взаимная компенсация зарядов, возникающих в соответствующих частях чувствительного элемента.
Таким образом, в случае, если пьезоэлектрический цилиндр однороден, при предлагаемом способе крепления он должен быть нечувствителен к вибрациям любого направления. Можно показать, что при других способах крепления цилиндра приемник не обладает свойством виброустойчивости в полной мере и реагирует на определенные виды вибраций.
3. Экспериментальные данные
Для проверки сделанных выводов был изготовлен и испытан на вибростенде макет приемника предлагаемой конструкции, а также макет цилиндрического приемника, крепление которого производилось за торец, что соответствует наиболее распространенному в настоящее время виду крепления.
В качестве чувствительных элементов были использованы цилиндры (1), склеенные из двух пьезокерамических колец с радиальной поляризацией наружным диаметром 48 мм, толщиной 3 мм и высотой 32 мм (фиг.3). Два таких цилиндра жестко склеены эпоксидной массой с центральным стальным диском (2) толщиной 6 мм, выполненным как одно целое с осью (3). Цилиндр загерметизирован с помощью фланцев (5) и слоя резины (4). Выводы от цилиндров сделаны раздельно, так что имелась возможность проверять эффект компенсации зарядов, возникающих на двух половинах приемника, путем сравнения напряжения на выходе параллельного соединения цилиндров с напряжением на одном из них.
Результаты эксперимента сведены в таблицу, в которой приводятся значения чувствительности приемника к вибрации, выраженной в значениях мв/g, при различных условиях закрепления и включения чувствительного элемента.
Таблица
Чувствительность к вибрации (мв/g)
Характер закрепления и включения элементов приемника
Направление вибрации
Вдоль оси
Перпендикулярно оси
Цилиндрический приемник, закрепленный за торец
38
32
Приемник, закрепленный за центральный диск. Включен один цилиндр
10
0,33
Приемник закреплен за центральный диск. Параллельное включение цилиндров
0,45
0,33
Частотные характеристики чувствительности макетов приемников к вибрации линейны в диапазоне 10 Гц÷100 Гц, в результате чего чувствительность можно характеризовать одним значением. Предлагаемому варианту конструкции соответствует последняя строка таблицы. Как видно, чувствительность к вибрации в этом случае значительно меньше, чем при других способах закрепления и включения элементов.