Электроакустический преобразователь
ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к электроакустической технике, а именно к пьезокерамическим электроакустическим преобразователям, предназначенным для работы преимущественно на высоких звуковых и ультразвуковых частотах.
Известны электроакустические преобразователи ультразвуковой частоты содержащие открытый корпус с размещенным внутри биморфным пьезоэлементом, который прикреплен одной стороной к цилиндрической опоре, а к центру другой стороны прикреплена своей вершиной легкая конусная диафрагма, обращенная к открытой части корпуса. В этой конструкции излучающим элементом является конусная диафрагма. (Ultrasonic Sensor, Cat. No. S15E-5, «Murata Manufacturing Со.» Ltd, 2008).
Недостаток данной конструкции заключается в том, что конусная излучающая диафрагма не может быть выполнена достаточно больших размеров без увеличения своей массы и без потери жесткости и устойчивости. Диаметр диафрагмы не превышает диаметр биморфного пьезоэлемента и обычно составляет примерно половину длины волны излучаемого звука. Указанная особенность является причиной, ограничивающей эффективность излучения и уровень звукового давления.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению и принятым за прототип является электроакустический преобразователь (патент РФ на полезную модель №162340, H04R 17/00), состоящий из корпуса, круглого бимофного пьезоэлемента с двумя пьезокерамическими дисками и излучающей диафрагмы. Диафрагма имеет плоскую внешнюю кольцевую часть, соединенную с боковой стенкой корпуса, кольцевое углубление и плоскую внутреннюю часть. Биморфный пьезоэлемент по своей периферии соединен с основанием кольцевого углубления. Центральная площадка внутренней части диафрагмы соединена с центральным элементом корпуса.
Указанное техническое решение имеет ограничение по уровню звукового давления из-за недостаточной эффективности электроакустического преобразования или, иными словами, недостаточным кпд. Недостаточный кпд имеет следствием разогрев биморфного пьезоэлемента при повышенном возбуждающем напряжении, и этим ограничивается дальнейший рост звукового давления.
Технический результат настоящего изобретения заключается в достижении более высокой эффективности электроакустического преобразования и в получении более высокого уровня звукового давления, развиваемого электроакустическим преобразователем.
Технический результат достигается следующим. В электроакустическом преобразователе состоящем из цилиндрического корпуса, круглого бимофного пьезоэлемента с двумя пьезокерамическими дисками и излучающей диафрагмы, диафрагма имеет плоскую внешнюю кольцевую часть, соединенную с цилиндрической боковой стенкой корпуса, кольцевое углубление и плоскую внутреннюю часть. Кольцевое углубление имеет форму двух взаимно обращенных конических поверхностей. Биморфный пьезоэлемент по своей периферии соединен с основанием кольцевого углубления. Над кольцевым углублением расположена верхняя часть корпуса, выполненная в виде кольца, и соединенная с цилиндрической частья корпуса перемычками. Кольцевая часть имеет выступ, также в виде двух взаимно обращенных конических поверхностей и образует с кольцевым углублением диафрагмы щелевое пространство. К центру внутренней части диафрагмы прикреплен демпфирующий диск.
В заявляемом техническом решении рабочим (колеблющимся) участком диафрагмы главным образом является ее рельефная часть. При этом наружная периферия диафрагмы, будучи связанная с цилиндрическим корпусом, неподвижна. Неподвижность и полное подавление всех нежелательных колебаний центральной части диафрагмы обеспечивается демпфирующим диском. Масса диска превосходит массу демпфируемой части диафрагмы и обеспечивает надежное демпфирование. Щелевое пространство между кольцевым углублением диафрагмы выступом экрана задает направление колебательной скорости вдоль цилиндрических образующих в обе стороны от основания углубления. Вследствие этого колебания плотности вне и внутри кольцевого экрана будут в одинаковых фазах и более интенсивными. Для колебательной системы преобразователя это увеличивает сопротивление среды в сторону лучшего согласования со средой. При этом увеличивается доля мощности, расходуемая на излучение, за счет сокращения доли тепловых потерь.
Положительный результат подтвержден сравнительными измерениями электроакустических преобразователей, выполненными по прототипу и согласно настоящему изобретению. Методика измерений заключалась в следующем. На электроакустический преобразователь подавалось переменное напряжение на резонансной частоте. При этом величина напряжения подбиралась такой, чтобы каждый из двух преобразователей
развивал одно и то же звуковое давление на одном и том же расстоянии. При этом условии измерялся потребляемый ток и рассчитывалась потребляемая мощность. Результаты измерения приведены в нижеследующей таблице.
Электроакустический преобразователь, выполненный согласно заявляемому решению, при том же звуковом давлении, как у прототипа, потребляет почти в два раза меньшую мощность. То есть имеет место увеличение кпд почти вдвое. При более высоком кпд уменьшается доля тепловых потерь, что дает возможность возбуждать преобразователь более высоким напряжением и реализовать более высокое звуковое давление.
Сущность изобретения поясняется следующими фигурами графических изображений.
Фиг. 1 - схематическое изображение электроакустического преобразователя. Фиг. 2 - график зависимости звукового давления от возбуждающего напряжения. Фиг. 3 - фотоизображение электроакустического преобразователя.
Схематический вид предлагаемого электроакустического преобразователя представлен на фиг. 1 в вертикальном разрезе по диаметру. Преобразователь состоит из цилиндрической части корпуса 1, кольцевой части 2, диафрагмы 3, биморфного пьезоэлемента 4 и демпфирующего диска 5. Более высокий кпд электроакустического преобразователя по заявляемому решению допускает работу при более высоком напряжении возбуждения и развивает более высокий уровень звукового давления. Это иллюстрируется на фиг. 2, где изображены графики зависимости звукового давления преобразователя по заявляемому решению (график 6) и прототипа (график 7). По графикам видно, что при повышенном напряжении имеет место дополнительный прирост звукового давления, относящегося к заявляемому преобразователю, и его преимущество в итоге составляет 6 дБ.
Пример осуществления изобретения иллюстрируется изображениями на фиг. 1 и фиг. 3. В данном примере цилиндрическая часть 1 корпуса имеет технологический уступ на внутренней поверхности и связана с кольцевой частью 2 перемычками, как это видно на фотоизображении на фиг. 3. Выступ кольцевой части корпуса и углубление диафрагмы, имея форму двух пар взаимно обращенных конических поверхностей, создают между собой щелевое пространство. Наружная периферия диафрагмы имеет клеевое соединение с боковой стенкой корпуса 1. Центральная часть диафрагмы имеет клеевое соединение с демпфирующим диском 5, выполненным из металла. Диафрагма выполнена из алюминиевой фольги. Позиционирование демпфирующего диска в центре диафрагмы обеспечивается небольшим технологическим углублением в диафрагме, что не является существенным элементом. Бимофный пьезоэлемент 4 выполнен с двумя пьезокерамическими дисками и своей периферией соединен с основанием кольцевого углубления диафрагмы.
Электроакустический преобразователь работает следующим образом. При подаче на внешние выводы преобразователя переменного напряжения биморфный пьезоэлемент совершает изгибные колебания относительно некоторой неподвижной окружности. Максимальная амплитуда этих колебаний имеет место в центре и на периферии. Поскольку периферия биморфного пьезоэлемента связана с диафрагмой упомянутым способом, то вся ее рельефная часть, вследствие своей геометрически обусловленной жесткости, будет совершать колебания с амплитудой и фазой, как на периферии биморфного пьезоэлемента. В щелевом пространстве между диафрагмой и выступом кольцевой части корпуса колебательная скорость среды имеет направление вдоль конических образующих в сторону открытых для излучения наружной и внутренней частей преобразователя. В результате во внешнем кольцевом пространстве и в центральной части будут иметь место интенсивные колебания давления с одинаковой фазой и эффективное излучение.