ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Полезная модель относится к электроакустической технике, а именно к пьезо-керамическим 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 не позволяет концентрировать излучаемую энергию в узком телесном угле, тогда как в ряде практических применений желательно излучение с меньшей расходимостью.
Известен электроакустический преобразователь (патент на полезную модель RU 71496, Н04 17/00), состоящий из корпуса, круглого бимофного пьезоэлемента и излучающей диафрагмы. Диафрагма имеет плоскую кольцевую часть и выпуклую часть. Периферийная окружность плоской части соединена с боковой стенкой корпуса, а основание выпуклой части соединено с периферией биморфного пьезоэлемента.
Наличие центральной выпуклой части в упомянутом электроакустическом преобразователе не является недостатком при работе на низких и средних звуковых частотах, так как к индивидуальным источникам звука слышимых частот не предъявляется требование по направленности. На высоких звуковых и ультразвуковых частотах диафрагму можно выполнить с диаметром, превышающем несколько длин волн звука в воздухе, и это могло бы стать предпосылкой более направленного излучения. Однако высота выпуклости становится фактором, который обусловливает искажение фронта излучаемой волны, а попытки уменьшить высоту выпуклой части приводят к потере ее жесткости и появлению нежелательных изгибных колебаний на сферической поверхности. Искажение фронта излучаемой волны является причиной широкой диаграммы направленности.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению и принятым за прототип является электроакустический преобразователь (документ RU 2561341, H04R 17/00 http://www.findpatent.ru/patent/256/2561341.html), состоящий из корпуса, круглого бимофного пьезоэлемента и сплошной излучающей диафрагмы. Диафрагма имеет плоскую кольцевую часть, соединенную с боковой стенкой корпуса, центральную выпуклую часть и кольцевое углубление, примыкающее к центральной выпуклой части. Биморфный пьезоэлемент по своей периферии соединен с основанием кольцевого углубления.
Указанный электроакустический преобразователь, имея основную частоту около 3 кГц, работает также на высоких звуковых и ультразвуковых частотах, но при этом используются высшие гармоники колебаний биморфного пьезоэлемента. При работе на высших гармониках эффективность преобразователя ниже, чем на основной частоте. Указанный электроакустический преобразователь, будучи исполненный с основной частотой в диапазоне высоких звуковых и ультразвуковых частот, приобретает те же недостатки, что и у предыдущего аналога, то есть искажение фронта волны из-за наличия центральной выпуклости и расширение диаграммы направленности.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка электроакустического преобразователя с более узкой диаграммой направленности излучения и более высоким звуковым давлением по оси излучения.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый электроакустический преобразователь, состоит из корпуса, биморфного пьезоэлемента и сплошной диафрагмы. При этом диафрагма имеет наружную плоскую кольцевую часть, соединенную с внутренней стенкой корпуса, кольцевое углубление, к кольцевой вершине которого присоединен своей периферией биморфный пьезоэлемент, и внутреннюю плоскую часть. Центральная часть внутренней плоскости диафрагмы связана с центральным элементом корпуса, а биморфный пьезоэлемент выполнен с двумя пьезокерамическими дисками. Кольцевое углубление, в силу своей геометрии, является жесткой частью диафрагмы, поэтому колебания ее поверхности повторяют колебания периферии биморфного пьезоэлемента и имеют равномерное распределение амплитуды и фазы. Тем самым обеспечиваются условия для получения фронта волны, более приближенного к плоскому, а пространственное расхождение волн уменьшается.
Концентрация излучения в более узком телесном угле также приводит к повышению звукового давления вдоль оси излучения. Центральный элемент корпуса, обладая большей массой и жесткостью по сравнению с диафрагмой, исключает в центральной части диафрагмы нежелательные колебания с обращенной фазой, которые неизбежно возникают на высоких звуковых и ультразвуковых частотах и искажают фронт излучаемой волны. Диафрагма, имея неразрывную сплошную поверхность, обеспечивает защиту внутренних элементов электроакустического преобразователя и, благодаря этой защите, появляется возможность выполнить биморфный пьезоэлемент с двумя пьезокерамическими дисками. Это увеличивает амплитуду колебаний и дает дополнительное повышение звукового давления.
Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами графических изображений.
Фиг. 1 - схематическое изображение электроакустического преобразователя.
Фиг. 2 - вид электроакустического преобразователя со стороны излучающей поверхности.
Схематический вид предлагаемого электроакустического преобразователя представлен на фиг. 1 в вертикальном разрезе по диаметру. Преобразователь состоит из корпуса 1 с центральным элементом 4, диафрагмы 2 и биморфного пьезоэлемента 3.
Пример осуществления изобретения иллюстрируется изображениями на фиг. 1 и фиг. 2. В данном примере корпус 1 выполнен в форме открытого с одной стороны цилиндра и имеет в основании отверстие для вывода проводов. Диафрагма выполнена сплошной, из металлической фольги. Наружная периферия диафрагмы имеет клеевое соединение с боковой стенкой корпуса 1. Центральная часть диафрагмы имеет клеевое соединение с центральным элементом 4 корпуса. Центральный элемент корпуса связан с боковой частью корпуса лучевыми перемычками, как показано на фиг. 2. Кольцевое углубление диафрагмы имеет вид двух взаимно обращенных конических поверхностей. К кольцевой вершине этого углубления приклеен своей периферией биморфный пьезоэлемент 3. Бимофный пьезоэлемент состоит из двух пьезокерамических дисков, приклеенных с двух сторон к металлической мембране. К наружным электродам пьезокерамических дисков припаяны провода и выведены наружу через отверстие корпуса. Мембрана также имеет отверстие, через которое идет провод от верхнего пьезокерамического диска.
Электроакустический преобразователь работает следующим образом. При подаче на внешние выводы 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 она будет совершать колебания и излучать звук. Углубление, выполненное на диафрагме, является жесткой фигурой и, следовательно, имеет равномерное распределение амплитуд колебаний, равных амплитуде и фазе колебаниям периферийной части биморфного пьезоэлемента. Биморфный пьезоэлемент, будучи выполненный с двумя пьезокерамическими дисками, колеблется с большей амплитудой, чем в случае исполнения с одним диском. Вследствие этого повышается звуковое давление. Амплитуда колебаний плоских частей диафрагмы распределяется вдоль радиуса от максимума, на внутренней и внешней границах кольцевого углубления, до нуля, в линии соединения с боковой стенкой корпуса и с наружной границей центрального элемента корпуса и, таким образом, вносит дополнительный вклад в повышение звукового давления. Получению более узкой диаграммы направленности в заявляемом решении способствует то, что вследствие отсутствия выпуклой части поверхность равных фаз излученной волны будет более приближена к плоскости.