ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям и может использоваться в качестве источника акустических колебаний, например, в системах оповещения, пожарной и охранной сигнализации, эхолокации, медицине, экологии.
Известен электроакустический преобразователь, содержащий генератор переменного напряжения, цилиндрический корпус (в аналоге не упомянут как несущественный для него признак, показано лишь его основание), соосно расположенные в нем круглый биморфный пьезоэлемент с выпуклой мембраной над ним и общий плоский кольцевой держатель (RU 2014758 С1 5, H04R 17/00, 15.06.94).
Технический недостаток известного электроакустического преобразователя: обладает недостаточно высоким звуковым давлением излучаемых колебаний вследствие крепления центральной части пьезоэлемента на корпусе, работает только на резонансной частоте и излучает акустические колебания с широкой, более 30 град, диаграммой направленности, корпус является поглотителем поступающих от пьезоэлемента механических колебаний.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и решаемой задаче является электроакустический преобразователь, содержащий генератор переменного напряжения, цилиндрический корпус, соосно расположенные в нем круглый биморфный пьезоэлемент с выпуклой мембраной над ним и общий плоский кольцевой держатель, соединенный по наружной окружности с внутренней стенкой цилиндрического корпуса (RU 71496 U1 6, H04R 17/00, 10.03.2008).
Технический недостаток известного электроакустического преобразователя: обладает недостаточно высоким звуковым давлением излучаемых колебаний вследствие крепления периферии мембраны и пьзоэлемента к цилиндрическому корпусу посредством общего плоского кольцевого держателя, несмотря на некоторое участие в излучении общего плоского кольцевого держателя; работает только на резонансной частоте и излучает акустические колебания с широкой, более 30 град, диаграммой направленности, не предусмотрено для увеличения звукового давления отражение цилиндрическим корпусом в тело выпуклой мембраны поступающих от пьезоэлемента механических колебаний, что возможно только при особых свойствах материала цилиндрического корпуса и виде соединения с ним общего плоского кольцевого держателя.
Техническая задача: повышение акустического давления излучаемых колебаний, обеспечение работы в диапазонах звуковых и ультразвуковых частот, сужение диаграммы направленности излучения акустических колебаний на ультразвуковых частотах, отражение корпусом к мембране поступающих от пьезоэлемента механических колебаний.
Согласно изобретению в электроакустическом преобразователе общий плоский кольцевой держатель снабжен у основания выпуклой мембраны отштампованным на нем кольцевым V-образным диффузором с углом раскрытия от 15 до 60 град в радиальном сечении, дно которого жестко соединено с биморфным пьезоэлементом по его периферии, общий плоский кольцевой держатель жестко закреплен на внутренней поверхности цилиндрического корпуса из упругого материала с волновым сопротивлением больше волнового сопротивления материала общего плоского кольцевого держателя.
На фиг.1 показан электроакустический преобразователь, общий вид в диаметральном сечении.
Электроакустический преобразователь содержит генератор переменного напряжения 1, цилиндрический корпус 2 из упругого материала (сталь и т.п.), соосно расположенные в нем круглый биморфный пьезоэлемент 3 с выпуклой мембраной 4 над ним, общий плоский кольцевой держатель 5, жестко закрепленный на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 2 и снабженный отштампованным на нем кольцевым V-образным диффузором 6 с углом раскрытия от 15 до 60 град в радиальном сечении, дно 7 которого жестко соединено с биморфным пьезоэлементом 3 по его периферии, ось 8 (симметрии), основание 9 (обозначено пунктиром) выпуклой мембраны 4.
В исходном состоянии генератор 1 выключен. Устройство не излучает электроакустические колебания.
Электроакустический преобразователь может работать в двух диапазонах излучаемых колебаний:
- излучение колебаний в спектре звуковых частот;
- излучение колебаний в спектре ультразвуковых частот.
В диапазоне звуковых частот на биморфный пьезоэлемент 3 подают от генератора 1 напряжение звуковой частоты. Биморфный пьезоэлемент 3 отдает возникшие в нем механические колебания звуковой частоты кольцевому V-образному диффузору 6, который совершает с выпуклой мембраной 4 возвратно-поступательные колебания со звуковой частотой вдоль оси 8 устройства, причем механические колебания биморфного пьезоэлемента 3 вызывают одновременные перемещения всех точек поверхности выпуклой мембраны 4 и кольцевого V-образного диффузора 6. При этом изгибные колебания на участке от дна кольцевого V-образного диффузора 6 до внутренней поверхности цилиндрического корпуса 2 уменьшаются к некоторому минимуму. В данном случае общий плоский кольцевой держатель 5 выполняет преимущественно функции диафрагменной пружины, обеспечивая оптимальные условия для работы выпуклой мембраны 4 и кольцевого V-образного диффузора 6 на звуковых частотах с повышенным звуковым давлением до 140 дБ.
В диапазоне ультразвуковых частот на биморфный пьезоэлемент 3 подают от генератора 1 напряжение ультразвуковой частоты. На фиг. 2 показан принцип формирования механических и акустических колебаний на ультразвуковых частотах. В результате подачи переменного напряжения ультразвуковой частоты на биморфный пьезоэлемент 3 на его периферии появляются механические колебания, которые передаются дну кольцевого V-образного диффузора 6, преобразующего механические колебания в акустические колебания исходной фазы 1Ф, которые распространяются вдоль оси 8 устройства.
Далее от периферии биморфного пьезоэлемента 3 механические колебания распространяются по телу выпуклой мембраны 4 к ее вершине. При резонансах в теле выпуклой мембраны 4 формируются стоячие механические волны с разной фазой. Преобразованные выпуклой мембраной 4 механические колебания в акустические также имеют сдвиг по фазе 2Ф, 3Ф, 4Ф. Вокруг выпуклой мембраны формируются акустические колебания кольцевой формы, распространяющиеся вдоль оси 8 устройства. Ввиду сдвига по фазе акустические колебания 1Ф, 2Ф, 3Ф, 4Ф встречаются одновременно в верхней части выпуклой мембраны 4, образуя плоский фронт акустической ультразвуковой волны повышенного звукового давления до 140 дБ и с узкой диаграммой направленности не более 30 град. Этому способствует отражение цилиндрическим корпусом 2, благодаря жесткому креплению к нему общего плоского кольцевого держателя 5 и выполнению цилиндрического корпуса 2 из упругого материала с волновым сопротивлением больше волнового сопротивления материала общего плоского кольцевого держателя, механических колебаний биморфного пьезоэлемента 3, поступающих на него по кольцевому V-образному диффузору 6 и общему плоскому кольцевому держателю 5, к выпуклой мембране 4 последовательно по общему плоскому кольцевому держателю 5 и кольцевому V-образному диффузору 6. При этом, чем выше частота ультразвуковых колебаний, тем уже диаграмма направленности. Диаграмма направленности также зависит от конфигураций кольцевого V-образного диффузора 6 и выпуклой мембраны 4. Количество фиксированных излучаемых частот акустических колебаний соответствует количеству резонансных стоячих механических волн, формирующихся в электроакустическом преобразователе.
Таким образом, вследствие того, что в электроакустическом преобразователе общий плоский кольцевой держатель снабжен у основания выпуклой мембраны отштампованным на нем кольцевым V-образным диффузором с углом раскрытия от 15 до 60 град в радиальном сечении, дно которого жестко соединено с биморфным пьезоэлементом по его периферии, и жестко закреплен на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, который выполнен из упругого материала с волновым сопротивлением больше волнового сопротивления материала общего плоского кольцевого держателя, повышено акустическое давление, обеспечена работа устройства в диапазонах звуковых и ультразвуковых частот с узкой диаграммой направленности излучения на ультразвуковых частотах, обеспечено отражение корпусом к мембране поступающих от пьезоэлемента механических колебаний для увеличения звукового давления.
В результате исследований установлено, что электроакустический преобразователь на частоте 7 кГц имеет диаграмму направленности 60 град, на частоте 17 кГц - 30 град, на частоте 24 кГц - 5 град при звуковом давлении 140 дБ, что аналогично параметрам сложной акустической фазированной решетки. Было установлено также, что данное изобретение, работающее, например, на частоте основного резонанса 3 кГц позволяет получить акустическое излучение еще на 10 резонансных частотах до 20 кГц. Обнаружены резонансы на частотах выше 20 кГц.