СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВНОГО ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
METHOD TO MANUFACTURE COMPOSITE ELECTROACOUSTIC CONVERTER

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технологии изготовления составного электроакустического преобразователя (ЭАП), содержащего пьезокерамические активные элементы.
Известен способ изготовления составного ЭАП [SU 627711], в котором отдельные пьезокерамические элементы соединяются в пьезоблок путем их склейки. Недостатком указанного способа является недостаточная механическая прочность клеевых соединений пьезоэлементов.
Известен способ изготовления составного ЭАП, содержащего соединяемые друг с другом путем склейки пьезокерамические элементы [SU 1757131].
Рассматриваемый способ включает нанесение на склеиваемые поверхности клея, сборку пьезокерамических элементов в пьезоблок с обеспечением прижима склеиваемых поверхностей с помощью стягивающей шпильки, а также полимеризацию клея в клеевых соединениях, которую осуществляют в соответствии с конкретным технологическим процессом, зависящим от типа применяемого клея. При этом в течение всего процесса полимеризации осуществляют подачу на контакты преобразователя постоянного электрического напряжения с полярностью, совпадающей с полярностью пьезоэлементов.
Воздействие на собираемый преобразователь в процессе полимеризации клея в клеевых соединениях указанным физическим фактором - постоянным электрическим полем - обеспечивает повышение механической прочности преобразователя.
Недостатком рассматриваемого способа является его длительность, обусловленная длительностью процесса полимеризации клея. Так, в рассматриваемом способе приведен пример использования эпоксидного клея марки ДМ5-65, полимеризация которого осуществляется при температуре (75-95)°C в течение 24 часов,
Известен способ изготовления электроакустического преобразователя, содержащего соединяемые друг с другом путем склейки пьезокерамические элементы, описанный в [SU 1233957], который выбран в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.
Данный способ включает нанесение на склеиваемые поверхности пьезокерамических элементов клея, сборку пьезокерамических элементов в пьезоблок, а также полимеризацию клея в клеевых соединениях. При этом нанесение на склеиваемые поверхности клея осуществляют при одновременном воздействии на клей ультразвуковыми колебаниями, создаваемыми с помощью ультразвукового излучателя, и магнитным полем, что способствует сокращению времени полимеризации клея и повышению стабильности физико-механических характеристик клеевых соединений.
Однако рассматриваемый способ требует сложного аппаратурного оформления.
Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего высокие эксплуатационные характеристики электроакустического преобразователя при его относительно небольшой длительности.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления электроакустического преобразователя, содержащего соединяемые друг с другом путем склейки пьезокерамические элементы, включающем нанесение на склеиваемые поверхности клея, сборку пьезокерамических элементов в пьезоблок, а также полимеризацию клея в клеевых соединениях, при этом нанесение на склеиваемые поверхности клея осуществляют при воздействии на клей ультразвуковыми колебаниями, создаваемыми с помощью ультразвукового излучателя, согласно изобретению на клей воздействуют ультразвуковыми колебаниями с частотой 18-22 кГц, амплитудой 4 или 3 мкм, при этом зазор между наконечником ультразвукового излучателя и поверхностью пьезокерамического элемента составляет 0,3 или 0,2 мм.
Принципиально важным в заявляемом способе является то, что в процессе нанесения на склеиваемые поверхности клея на него воздействуют низкочастотными ультразвуковыми колебаниями с частотой 18-22 кГц, амплитудой 4 или 3 мкм и при этом в процессе нанесения клея обеспечивают зазор между наконечником ультразвукового излучателя и поверхностью, на которую наносится клей, величина которого составляет 0,3 или 0,2 мм.
Как показали эксперименты, при указанных режимах воздействия ультразвука и условиях нанесения клея обеспечивается сокращение времени полимеризации клея. Кроме того, при воздействии ультразвука происходит дегазация массы клея, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках изготавливаемого преобразователя, в частности приводит к снижению потери акустической энергии в клеевых соединениях. Воздействие ультразвука на клей в процессе его нанесения на склеиваемые поверхности существенно улучшает смачивание поверхности клеем, что приводит к повышению адгезионной прочности клеевых соединений.
При этом выдерживание вышеуказанного зазора между наконечником излучателя и покрываемой клеем поверхностью элемента приводит к осуществлению процесса распространения ультразвуковых колебаний в клее в условиях так называемого «тонкого слоя», при которых эффекты воздействия ультразвука, такие как кавитация, акустические течения, радиационные напряжения, проявляются в максимальной степени, что положительно сказывается на процессах дегазации клея, смачивания клеем поверхности, создания плотного контакта клея с поверхностью, что способствует повышению прочности клеевого соединения. Кроме того, благодаря наличию указанного зазора исключается непосредственный контакт излучателя с поверхностью пьезоэлемента, что снижает риск его механического разрушения.
При этом при указанных выше величинах амплитуды ультразвуковых колебаний обеспечивается эффективное воздействие ультразвукового поля на клей без разрушения его структуры.
В качестве клея в заявляемом способе может быть использован, в частности, эпоксидный клей, отверждающийся в процессе полимеризации.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого способа, является обеспечение высоких эксплуатационных характеристик электроакустического преобразователя при относительно небольшой его длительности, обусловленной сокращением времени полимеризации клея.
Способ осуществляют следующим образом.
Для изготовления ЭАП в качестве активных элементов используют поляризованные пьезокерамические элементы, соединяемые в пьезоблок путем склейки. В качестве пассивных элементов для изготовления ЭАП используют металлические накладки, устанавливаемые на торцах пьезоблока и соединяемые с ним, в частности путем склейки.
Склеиваемые поверхности пьезокерамических элементов и металлических накладок подготавливают к склейке путем их механической очистки и обезжиривания.
На склеиваемые поверхности наносят клей, одновременно воздействуя на него ультразвуковыми колебаниями с частотой 18-22 кГц и амплитудой 4,0 или 3,0 мкм. В частности, используют ультразвуковой излучатель, наконечник которого выполнен в виде лопатки. При этом зазор между наконечником излучателя и поверхностью пьезоэлемента или поверхностью накладки составляет 0,3 или 0,2 мм.
Затем из пьезокерамических элементов собирают пьезоблок.
На торцах пьезоблока устанавливают металлические накладки.
Обеспечивают прижим склеиваемых поверхностей с усилием, определенным конкретным технологическим процессом, зависящим от типа применяемого клея.
Далее осуществляют полимеризацию клея в клеевых соединениях в соответствии с конкретным технологическим процессом, зависящим от типа применяемого клея. В частности, осуществляют тепловую обработку собранного преобразователя путем его нагрева до заданной температуры и выдержки в течение заданного времени, при этом режим температурной обработки определяется типом применяемого клея.
Возможность реализации способа показана в примерах конкретного выполнения.
Пример 1
0,75
0,25
0,53
0,47
3
3
Для изготовления электроакустического преобразователя использовали пьезокерамические элементы, изготовленные из керамики на основе цирконата-титаната бария-свинца ЦТБС-3 (химический состав: PbВа(ZrTi)O+SrCO 0,08%), представляющие собой диски толщиной 10 мм и диаметром 30 мм.
Использовали также металлические накладки, выполненные в виде дисков толщиной 10 мм и диаметром 30 мм, изготовленные из алюминиевого сплава АМгб.
Торцевые поверхности пьезокерамических элементов и металлических накладок подготавливали к склейке путем их механической очистки и обезжиривания.
Затем на склеиваемые поверхности наносили эпоксидный клей марки ДМ5-65 при одновременном воздействии на клей ультразвуковыми колебаниями с частотой 18 кГц. Для нанесения клея использовали ультразвуковой излучатель, наконечник которого выполнен в виде лопатки.
Нанесение клея производили по следующему режиму:
амплитуда ультразвуковых колебаний составляла 4,0 мкм;
зазор между излучателем и поверхностью пьезоэлемента и поверхностью накладки составлял 0,3 мм;
скорость нанесения клея составляла 30,0 мм/мин.
Затем из пьезокерамических элементов и металлических накладок собирали составной ЭАП. Склеиваемые поверхности прижимали с усилием, создаваемым с помощью груза.
Осуществляли полимеризацию клея в клеевых соединениях путем нагрева ЭАП в электропечи до заданной температуры порядка 70°C и выдержки при заданной температуре до отверждения клея.
Время отверждения и полимеризации клея составило 20 часов.
Исследовали усредненные эксплуатационные характеристики партии из 10 изготовленных указанным выше образом ЭАП.
Среднее значение коэффициента электромеханической связи, Ксв, составило 0,58;
Разброс значений резонансной частоты внутри партии составил 0,5%;
Среднее значение тангенса угла диэлектрических потерь, tgδ, составило 0,7%.
Для сравнения осуществляли изготовление контрольной партии из 10 ЭАП, каждый из которых имел такую же конструкцию, как описано выше.
Процесс изготовления каждого ЭАП в контрольной партии осуществляли аналогичным образом с использованием такого же клея, но при этом в процессе нанесения клея на него не воздействовали ультразвуковыми колебаниями.
Время отверждения и полимеризации составило 38 часов.
Исследовали усредненные эксплуатационные характеристики контрольной партии 10 ЭАП.
Среднее значение коэффициента электромеханической связи, Ксв, составило 0,54; Разброс значений резонансной частоты внутри партии составил 0,9%; Среднее значение тангенса угла диэлектрических потерь, tgδ, составило 1,1%. Результаты показали сокращение продолжительности полимеризации клея и улучшение эксплуатационных характеристик составных ЭАП.
Пример 2
0,75
0,25
0,53
0,47
3
3
Для изготовления электроакустического преобразователя использовали пьезокерамические элементы, изготовленные из керамики на основе цирконата-титаната бария-свинца ЦТБС-3 (химический состав: PbВа(ZrTi)О+SrCO 0,08%), представляющие собой диски толщиной 10 мм и диаметром 30 мм.
Использовали также металлические накладки, выполненные в виде дисков толщиной 10 мм и диаметром 30 мм, изготовленные из алюминиевого сплава АМгб.
Торцевые поверхности пьезокерамических элементов и металлических накладок подготавливали к склейке путем их механической очистки и обезжиривания.
Затем на склеиваемые поверхности наносили эпоксидный клей марки ДМ5-65 при одновременном воздействии на клей ультразвуковыми колебаниями с частотой 22 кГц. Для нанесения клея использовали ультразвуковой излучатель, наконечник которого выполнен в виде лопатки.
Нанесение клея производили по следующему режиму:
Амплитуда ультразвуковых колебаний составляла 3,0 мкм;
Зазор между излучателем и поверхностью пьезоэлемента и поверхностью накладки составлял 0,2 мм;
Скорость нанесения клея составляла 20,0 мм/мин.
Затем из пьезокерамических элементов и металлических накладок собирали составной ЭАП. Склеиваемые поверхности прижимали с усилием, создаваемым с помощью груза.
Осуществляли полимеризацию клея в клеевых соединениях путем нагрева ЭАП в электропечи до заданной температуры порядка 75°C и выдержки при заданной температуре до отверждения клея.
Время отверждения и полимеризации составило 16 часов.
Исследовали усредненные эксплуатационные характеристики партии из 10 изготовленных указанным выше образом ЭАП.
Среднее значение коэффициента электромеханической связи, Ксв, составило 0,59;
Разброс значений резонансной частоты внутри партии составил 0.4%;
Среднее значение тангенса угла диэлектрических потерь, tgδ, составило 0,5%.
Для сравнения осуществляли изготовление контрольной партии из 10 ЭАП, каждый из которых имел такую же конструкцию, как описано выше.
Процесс изготовления каждого ЭАП в контрольной партии осуществляли аналогичным образом с использованием такого же клея, но при этом в процессе нанесения клея на него не воздействовали ультразвуковыми колебаниями.
Время отверждения и полимеризации составило 35 часов.
Исследовали усредненные эксплуатационные характеристики контрольной партии 10 ЭАП.
Среднее значение коэффициента электромеханической связи, Ксв, составило 0,54; Разброс значений резонансной частоты внутри партии составил 0,7%. Среднее значение тангенса угла диэлектрических потерь, tgδ, составило 0,9%. Результаты показали сокращение продолжительности полимеризации клея и улучшение эксплуатационных характеристик составных ЭАП.