Електроакустичний перетворювач

Изобретение относится к электроакустике, в частности, к устройствам для преобразования электрической энергии в механическую. Известны электроакустические преобразователи, содержащие биморфные пьезоэлементы (Римский-Корсаков А.В. Электроакустика // Связь. - 1973. - С.188 - 189; Авт. св. №723793, кл. H04R17/00, 1980; Авт. св. №1312759, кл. H04R17/00, 1987). Известны электроакустические преобразователи, содержащие только один биморфный элемент, состоящий из металлической пластины и пьезоэлемента, скрепленных друг с другом (Преобразователи ЗП4, ЗП-6, ЗП-13, ЗП-18, ЗП-19 и др., выпускаемые заводом "Аврора" г.Волгоградом. 12М0.081.105ТУ, 12М0.081.085ТУ). Известен также электроакустический преобразователь (Авт. св. №813346, кл. G01S7/52, H04R17/00, 1981), содержащий два биморфных пьезоэлемента, каждый из которых состоит из металлической пластины и пьезоэлемента с двумя электродами. Биморфные пьезоэлементы скреплены друг с другом таким образом, что образуют между собой замкнутый объем. По указанному авт. св. завод "Аврора" (г.Волгоград) выпускает так называемые пьезоэлектрические звонки ЗП-1, 12М0.082.005ТУ. Указанные преобразователи благодаря наличию двух пьезоэлементов и акустической связи между ними могут работать в автогенераторной схеме возбуждения, когда один из пьезоэлементов подключается ко входу усилителя, а второй - к выходу (так называемая схема Колпитца). Недостатком этого преобразователя является сравнительная сложность конструкции, связанная с наличием двух биморфных пьезоэлементов. Известен электроакустический пьезопреобразователь, содержащий биморфный пьезоэлемент, состоящий из металлической мембраны и пьезоэлемента, выполненного в виде пьезотрансформатора, закрепленного на мембране со стороны общего электрода, а один из электродов выполнен в виде лепестка, направленного от периферии к центру (Проспект фирмы "Talyo Yuden Co, LTD", Piezo Acoustic. Transducer Elements. Transducers. Speaker Elements, 1983). Недостатком этого преобразователя являются неблагоприятные условия возбуждения пьезопреобразователя в схеме автогенератора, что обусловлено высоким выходным сопротивлением секции пьезоэлемента с электродом в виде лепестка, а также сравнительно невысоким коэффициентом передачи. Наконец известен электроакустический преобразователь (Патент РФ №2003238, кл. H04R17/00, Бюл.41 - 42, 1993; Патент Украины по заявке №93006820 от 05.10.93), содержащий металлическую мембрану и дисковый пьезотранформатрр, на одной поверхности которого находятся расположенные с зазором друг относительно друга с входной и выходной электроды, а на другой - электрод, причем пьезотрансформатор закреплен на мембране со стороны общего электрода, входной и выходной электроды подключены ко входу и выходу усилителя, расположены на пьезотрансформаторе симметрично относительно центральной оси пьезотрансформатора и каждый из них имеет выступ и впадину в центральной части. Указанный преобразователь наиболее близок по совокупности признаков и выбран в качестве прототипа. Недостатком прототипа являются неблагоприятные условия возбуждения пьезопреобразователя в схеме автогенератора. Это обусловлено сравнительно невысоким коэффициентом передачи биморфного пьезотрансформатора. Следует отметить, что в прототипе используется известная схема включения пьезотрансформатора в схему автогенератора, когда общий электрод пьезотрансформатора подключается к общему проводу схемы, а два других электрода - ко входу и выходу усилителя (Патент Украины по заявке №93006820 от 05.10.93; Проспект фирмы "Talyo Yuder" схему Колпитца: Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М., 1989. - С.207, рис.7.3 и др. (прототип)). В этой традиционной схеме в прототипе достигнуты максимально благоприятные условия для возбуждения, которые определяются высоким выходным сопротивлением выходной секции пьезотрансформатора, а также максимальным коэффициентом передачи биморфного пьезотрансформатора, что достигнуто соответственно выбором оптимальной формы и размеров электродов пьезотрансформатора. Здесь также полезно отметить, что условия работы пьезотрансформатора и биморфного пьезотрансформатора (т.е. пьезотрансформатора с прикрепленной к нему металлической пластиной, мембраной) различны, так как в первом случае возбуждаются радиальные или толщинные колебания (а изгибные возбуждаться не могут), а во втором - возбуждаются изгибные колебания, наиболее низкочастотные, звуковые. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования акустического преобразователя путем деления электродов пьезотрансформатора на диски и кольца с обеих сторон, выбора оптимальных размеров этих электродов, а также путем изменения схемы, подключения пьезопреобразователя в схеме автогенератора, Это позволяет улучшить условия возбуждения преобразователя в схеме автогенератора благодаря увеличению коэффициента передачи биморфного пьезотрансформатора. Предлагаемый пьезопреобразователь, содержащий биморфный пьезоэлемент, состоящий из металлической мембраны и пьезоэлемента, выполненного в виде дискового пьезотрансформатора. Отличие от прототипа заключается в том, что электроды пьезотрансформатора выполнены в виде кольца и диска с каждой стороны пьезотрансформатора, причем с одной стороны пьезотрансформатора отношение диаметра d1 дискового электрода к наружному диаметру d2 кольцевого выбирается из соотношения 0,68 < d1/d2 < 0,87, а с другой стороны отношение диаметра d3 дискового электрода к диаметру d2 кольцевого электрода выбирается из соотношения 0,47 < d3/d2 < 0,64. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - зависимость относительного коэффициента передачи пьезотрансформатора Kпер/Kпер max от отношения диаметра большего дискового электрода d 1 к наружному диаметру кольцевого электрода d2 при d3/d2 = 0,57; на фиг.3 - зависимость относительного коэффициента передачи пьезотрансформатора Kпер/Kпер max от отношения диаметра меньшего дискового электрода d3 к наружному диаметру кольцевого электрода d2 при d1/d2 = 0,8. Предлагаемый преобразователь содержит биморфный пьезоэлемент, состоящий из металлической мембраны 1 и дискового пьезотрансформатора 2, с двумя дисковыми электродами 3 и 4, и двумя кольцевыми 4 и 5, усилитель 6 автогенератора, выход 7 которого подключен к кольцевому электроду 5 большей площади, вход 8 - к дисковому электроду 4 меньшей площади, находящемуся с той же стороны пьезотрансформатора что и кольцевой электрод 5. Общий провод 9 усилителя подключен к кольцевому электроду 4 меньшей площади, находящемуся с другой стороны пьезотрансформатора. Металлическая мембрана 1 и пьезотрансформатор 2 соединен между собой диэлектрическим клеем (например, на основе эпоксидных смол) таким образом, чтобы не замыкать электроды 3 и 4. Зазор между дисковыми и кольцевыми электродами 0,2 0,3мм. Преобразователь работает следующим образом. Общий привод усилителя подключается к кольцевому электроду меньшей площади, выход усилителя - к кольцевому большей площади, а вход усилителя - к дисковому электроду меньшей площади. Схема представляет собой схему автогенератора, в цепи положительной обратной связи включен биморфный пьезоэлемент. При подключении источника питания в ней возникают незатухающие гармонические колебания на частоте биморфного элемента. Как известно, для возбуждения автогенератора должно соблюдаться условие Kус × Kос ³ 1, где Kус, Kос - комплексные коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи (в данном случае - биморфного пьезоэлемента). Для автогенератора с пьезотрансформатором в цепи ОС желательным является работа пьезотрансформатора в режиме холостого хода, что обеспечивает минимальные энергозатраты в цепи ОС (т.е. минимум энергопотребления, несвязанного с акустическим излучением преобразователя, т.е. экономичность преобразователя). Этого можно достичь увеличивая входное сопротивление усилителя или уменьшения выходное сопротивление пьезотрансформатора. Последнее достигается при увеличении емкости выходной секции пьезотрансформатора. Кроме того, желательным является увеличение коэффициента передачи пьезотрансформатора Kпер, что ускоряет переходный процесс, позволяет упростить схему усилителя, снизить энергозатраты. В преобразователе по патенту №2003238 указанные противоречащие друг другу требования удовлетворяются оптимальным выбором формы и размеров электродов (фиг.3), что позволяет достичь результатов не хуже, чем в преобразователях фирмы "Talyo Yuden products" (описания к патенту №2003238, заявке №5046036/10 к этому патенту). Тем не менее, коэффициент передачи Kпер преобразователя по патенту №2003238 сравнительно невелик, что ухудшает условия возбуждения преобразователя в схеме автогенератора. Для устранения указанного недостатка предлагается электроды на пьезртрансформаторе выполнять в виде колец и дисков и подключать их ко входу, выходу и общему проводу усилителя автогенератора так, как это показано на фиг.1. В этом случае коэффициент передачи возрастает почти в четыре раза, а выходное сопротивление практически не меняется. Кроме того, экспериментально установлено, что коэффициент передачи Kпер пьезотрансформатора в данной схеме зависит от соотношения диаметров дисковых и кольцевых электродов (d1/d2 и d3/d2) и достигает максимума при соотношении d1/d2 = 0,8 и d3/d2 = 0,57 (фиг.2 и 3). Как следует из фиг.2 и фиг.3, оптимальным следует считать соотношения 0,68 < d1/d2 < 0,87 и 0,47 < d3/d2