Електроакустичний пьєзоперетворювач

Изобретение относится к электроакустике, в частности, к устройствам для преобразования электрической энергии в механическую. Известны электроакустические преобразователи, содержащие биморфные пьезоэлементы (РимскийКорсаков 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 ЗП-4, ЗП-6, ЗП-13, ЗП-18, ЗП-19 и др., выпускаемые заводом "Аврора", г.Волгоград, см. 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 пьезозлементов и акустической связи между ними могут работать в автогенераторной схеме возбуждения, когда один из пьезозлементов 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 пьезопреобразователь (Патент РФ №2003238. кл. H04R17/00, Бюл. №41 - 42, 1993; Патент Украины по заявке №93006820 от 05.10.93), содержащий металлическую мембрану и дисковый пьезотрансформатор, на одной поверхности которого находятся расположенные с зазором друг относительно друга входной и выходной электроды, а на другой - общий электрод, причем пьезотрансформатор закреплен на мембране со стороны общего электрода, входной и выходной электроды подключены ко входу и выходу усилителя, расположены на пьезот-рансформаторе 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 (см. прототип; Проспект фирмы "Talyo Yuden" - схему Колпитца; Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М., 1989. - С.207, рис. 7.3, a также фиг.3 к данной заявке). 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. 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 пьезопреобразователя путем изменения схемы подключения пьезопреобразователя в схеме автогенератора, а также путем выбора оптимальныхразмеров электродов биморфного пьезотрансформатора, что позволяет улучшить условия возбуждения пьезопреобразователей в схеме автогенератора благодаря увеличению коэффициента передачи биморфного пьезотрансформатора. Электрический пьезопреобразователь содержит биморфный пьезозлемент, состоящий из металлической мембраны и дискового пьезотрансформатора, электроды которого выполнены в виде дисков большего диаметра с одной стороны, и диска меньшего диаметра и кольца с другой стороны, и включаемого в схему автогенератора. Предлагаемый пьезопреобразователь отличается от прототипа тем, что общий провод схемы автогенератора подключается к кольцевому электроду пьезотрансформатора, выход усилителя автогенератора - к дисковому электроду большего диаметра, а дисковый электрод меньшего диаметра - ко входу усилителя. Каждый из указанных отличительных признаков является необходимым, а все вместе достаточными для технического результата. Именно такое подключение пьезопреобразователя (фиг.1), обеспечивает существенное увеличение коэффициента передачи, а при указанных в формуле и на фиг.2 соотношениях размеров электродов, этот коэффициент достигает максимума. Благодаря этому улучшаются условия возбуждения пьезопреобразователя в схеме автогенератора. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - зависимость относительного коэффициента передачи биморфного пьезотрансформатора с электродами с схемой подключения по фиг.1 (Kпер/Kпер.max) от отношения диаметров электродов - дискового d и наружного кольцевого D; на фиг.3 - конструкция и схема подключения преобразователя по патенту РФ №2003238. Предлагаемый преобразователь содержит биморфный элемент, состоящий из металлической мембраны 1 и дискового пьезотрансформатора 2 с электродами в виде кольца 3 и диска 4, а также общего электрода 5, усилителя 6, выход 7 которого подключен к общему электроду 5, вход 8 усилителя подключен к дисковому электроду 4, а общий провод усилителя 9 - к кольцевому электроду 3. Металлическая мембрана 1 и пьезотрансформатор 2 соединены между собой диэлектрическим клеем (например, на основе эпоксидных смол) или легкоплавким припоем (например, сплавы Вуда, Розе и т.п.). Общий электрод 5 пьезоэлемента подключается к выходу 7, а дисковый электрод 4 - ко входу 8 усилителя 6. Кольцевой электрод 3 подключается к общему проводу 9 усилителя 6. Указанная схема представляет собой схему автогенератора, в цепи обратной связи которого включен биморфный пьезоэлемент. При подключении источника питания в ней возникают незатухающие гармонические колебания на частоте биморфного элемента. Преобразователь работает следующим образом. Как известно, для возбуждения автогенератора должно соблюдаться условие Kус × Kос - 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, т.е. экономичность преобразователя). Этого можно достичь увеличивая входное сопротивление усилителя или уменьшая 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 РФ №2003238; Патент Украины по заявке №93006820 от 05.10.93). Тем не менее, коэффициент передачи Kпер преобразователя по патенту №2003238 сравнительно невелик, что ухудшает условия возбуждения преобразователя в схеме автогенератора. Для ускорения указанного недостатка предлагается электроды на пьезотрансформаторе подключать их ко входу, выходу и общему проводу усилителя автогенератора так, как это показано на фиг.1. В этом случае коэффициент передачи возрастает практически в два раза (в 1,96 раза), а выходное сопротивление практически не меняется, так как емкость выходной секции остается равной половине емкости всего пьезоэлемента. Кроме того, экспериментально установлено, что коэффициент передачи Kпер зависит от соотношения диаметров дискового электрода d и кольцевого D, как это показано на фиг.2. Оптимальным следует считать отношение d/D в пределах от 0,55 до 0,8 (по уровню Kпер/Kпер.mах = 0,9 от максимального). Пример конкретного выполнения. Были изготовлены преобразователи на базе электроакустических преобразователей (пьезозвонков) ЗП-19 производства Волгоградского завода "Аврора". Перед приклейкой пьезоэлемента к металлической мембране с одной стороны электрод делился методом травления на диске и кольцо (зазор 0,2 - 0,5мм) для получения зависимости Kпер/Kпер.max = d/D по схеме включения фиг.1. Результаты приведены в табл.2. Максимальный коэффициент передачи Kпер.max = 1,94. Выходная емкость 14,5нФ. Выходное сопротивление Xc = 4,4кКОм на частоте 2,5 кГц. Увеличение коэффициента передачи улучшает условия возбуждения преобразователя в схеме автогенератора, что является техническим результатом данного изобретения.