Приемник градиента давления

 

Изобретение относится к гидроакустике. Цель изобретения - расширение динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличения чувствительности и уменьшения теплового порога. Приемник градиента давления содержит инерционные массы 1, в которых двумя противоположными сторонами закреплен чувствительный элемент 2 в виде биморфной пьезокерамической пластины с электродами, причем внешние электроды 3 нанесены на ширину Δ от внутреннего края инерционных масс 1, определяемую из соотношения Δ/L =0,13, где - L - длина пластины на участке между инерционными массами. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) А1 (51)4 Н 04 R 17/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4216430/24-10 (22) 25.03.87 (46) 30. 11.89. Бюл. Ф 44 (71) МГУ им. М.В. Ломоносова (72) Б.И. Гончаренко, В.А. Гордиенко и И.Я. Наумов (53) 620.179.16 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1(793663, кл. В 06 В 1/06, 1979, Авторское свидетельство СССР

В 466440, кл. В 06 В 1/06, 1973. (54) ПРИЕИНИК ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к гидроакустике. Цель изобретения — расши2 рение динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличения чувствительности и уменьшения теплового порога . Приемник градиента давления содермит инерционные массы 1, в которых двумя противоположными сторонами закреплен чувствительный элемент 2 в виде биморфной пьезокерамической пластины с электродами, причем внешние электроды 3 нанесены на ширину Д от внутреннего края инерционных масс 1, определяемую из соотношения й/1 = 0,13, где 1 — длина пластины на участке между инерционными массами. 1 ил .

1525945,|г |с

E= Z-dx

КС Зг<

U=-- — -dx дхг о (3) 30

= 4К Т - - (4)

| | С |

1г) для второй

0(|| (((50

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано, в частности,для регистрации акустических сигналов.

Цель изобретения — расширение ди5 намического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличения чувствительности и уменьшения теплового порога приемника.

На чертеже показана конструкция приемника.

Приемник градиента давления содержит инерционные массы 1, в которых двумя противоположными сторонами закреплен чувствительный элемент 2 в виде биморфной пьезоэлектрической пластины с электродами, причем внешние электроды 3 нанесены на ширинч л .от внутреннего края инерционных масс

1, определяемую из соотношения 4/1

0,13, где 1 — длина пластины на участке между инерционными массами.

Для пластинки, закрепленной с двух концов, расстояние между которыми 1, и бесконечной в перпендикулярном направлении, краевая задача о колебаниях под действием равномерно распределенной силы Fe имеет вид

|ыФ

Е1,з а4 рЬ

+ FL г 12(1 gã ) дх4 lх о < 1, . = > = =1 I„,, (1) 35 где h — толщина пластинки;

Е,6, р — модуль Юнга, коэффициент Пуассона и плотность материала, иэ которого выполнена плас- 40 тинка; (х)- смещение точки нейтральной поверхности.

Рассматривая решение задачи (1) и ограничиваясь диапазоном частот 45 производной величины (х) получим следующее выражением (+ x — 1 ) (2) дхг Нгз 2 (, х

Электрическое напряжение на керамике пропорционально амплитуде относительной механической деформации, возникающей в ее объеме где Z — расстояние от нейтральной поверхности.

Поскольку зависимость Е(х) определена формулой (2), можно вычислить электрическое напряжение U возникающее на выходе рассматриваемой системы й

Константа К зависит от величин

F, h от упругих и пьезоэлектрических констант керамики, а также от электрического соединения электродов, расположенных на биморфной пьезопластинке и не зависит от ширины электродов d.

Тепловой порог Р„определяется уровнем собственных шумов приемника градиента давления и егo чувствительностью при соотношении шум— сигнал равная 1.

Тепловые шумы рассматриваемой электромехани | ской модели обусловлены диэлектрическими и механическими потерями в керамике. Расчет показывает, что для обычно используемых составов пьезокерамики влиянием механических потерь можно пренебречь.

Тогда спектральная плотность тепловых флюктуаций электрического напряжения на приемнике градиента давления

Пг выражается формулой Найквиста: где К вЂ” константа Больцмана;

T — температура;

tg d — тангенс угла диэлектрических потерь пьезокерамики;

С вЂ” электрическая емкость приемника градиента давления.

Учитывая тот факт, что величина

С прямо пропорциональна ширине электродов й, а также формуль| (2), (3) и (4), получают следующую зависимость порогового уровня от отношения Ь /8:

P Й (- + - г — - )

1 1 1 Ь

6 3 2

Анализируя соотноше ние (5), находят, что независимо от состава пье5 152 зокерамики тепловой порог имеет ми— нимум, определяемый значением

О 13

6 е (e) Формула изобретения

Приемник градиента давления, со20 держащий инерционные массы и чувствительный элемент в виде биморфной пьезоэлектрической пластины с электродами, причем пластина закреплена двумя противоположными сторонами в

25 инерционных массах, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона в сторону меньших значений амплитуд путем увеличения чувствительности и уменьшения теплового порога, внешние электроды нанесены на ширину д от внутреннего края инерционнык масс, определяемую из соотношения 5/1

= О, 13, где 1 — длина пластины на участке между инерционными массами.

Составитель И. Игумнова

Техред M Õoäàíè÷

Редактор Л. Пчолинская

Корректор В. Кабаций

° »

Заказ 7247/57 Тираж 626 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óêãîðoä, ул. Гагарина,lPl

Как следует из формул (2) и (3), электрическое напряжение, возникающее на выходе рассматриваемого ПГД, зависитот отношения с,/$. При величине Ь/ 3 > О, 18 электрическое напряжение U уменьшается, при уменьшении

Q/Q оно несколько возрастает. Однако величина теплового порога при

g/((О, 13 возрастает и, как следует из полученного выражения (5), имеет наименьшее значение при /8 = 0,13.

Анализ формул (2) и (3) показал, что электрическое напряжение U возникающее на выходе рассматриваемого

ПГД, по крайней мере на порядок выше электрического напряжения, возникающего на выходе ПГД, имеющего . сплошные внешние электроды в пределах ограничений, которые были положены при выходе этих формул.

Таким о6рахоМ, выбирая ширину электрода из соотношения (6), получим повышение чувствительности приемника градиента давления и понижение его теплового порога в пределах линейного участка амплитудно-частотной характеристики.

Соединение электродов между собой может быть осуществлено в приемнике

594 5 6 так, чтобы электрические напряжения, возникающие на кажцой из пар электродов, складывались в фазе. Это может быть достигнуто, например, путем пос1 ледовательного включения каждой пос-< ледовательно включенной пары электродов, поскольку биморфный элемент с образован двумя пьезопластинами, соединенными между собой противоположными обкладками. Такое электрическое соединение электродов дополнительно повышает чувствительность приемника градиента давления в исследуемом диапазоне частот °