EP0419661A1

EP0419661A1 - Elektroakustischer wandler

Info

Publication number: EP0419661A1
Application number: EP19890909895
Authority: EP
Inventors: Igor Albertovich Samarin
Original assignee: MINSKY RADIOTEKHNICHESKY INSTITUT
Current assignee: MINSKY RADIOTEKHNICHESKY INSTITUT
Priority date: 1989-04-18
Filing date: 1989-04-18
Publication date: 1991-04-03
Also published as: WO1990012659A1; JPH03505807A

Abstract

Der elektroakustischer Wandler enthält drei elastische Elemente (1, 3,5), zwischen denen zwei Piezoelemente (2, 4) angeordnet sind. Die Gesamtlänge aller elastischen Elemente (1, 3, 5) und der Piezoelemente (2,4) ist einer ganzen Zahl von Halbwellen der Arbeitslänge der akustischen Welle gleich. Die Längen der elastischen Elemente (1, 5) sind einander gleich, während die Länge des elastischen Elementes (3) einer ungeraden Zahl von Viertelwellen der Arbeitslänge der akustischen Welle gleich ist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Erzeugung von mechanischen ultraschallfrequenten Schwingungen, insbesondere auf elektroakustische Wandler.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Es ist ein elektroakustischer Wandler bekannt, der zwei Piezoelemente, an deren Stirnseiten elastische Elemente angebracht sind, enthält und eine Länge besitzt, die einer ganzen Zahl von Halbwellen der Arbeitslänge der akustischen Welle gleich ist (US, A, Nr. 3218488).
Somit befinden sich die Piezoelemente in der Mitte des erwähnten elektroakustischen Wandlers, d.h. in der Wirkungszone maximaler mechanischer Spannungen, was bei Zunahme der zugeführten elektrischen Leistung entweder zur Zerstörung von Piezoelementen oder zur Überhitzung derselben und Senkung der Betriebszuverlässigkeit und -stabilität des elektroakustischen Wandlers führt.
Bekannt ist ein elektroakustischer Wandler, der aufeinanderfolgend angeordnete und über ihre Stirnflächen kontaktierende: ein erstes elastisches Element, ein erstes Piezoelement, ein zweites elastisches Element, ein zweites Piezoelement und ein drittes elastisches Element enthält, deren Gesamtlänge einer ganzen Zahl von Halbwellen der Arbeitslänge der akustischen Welle gleich ist, wobei die Längen des ersten und des dritten elastischen Elementes untereinander etwa gleich sind (GB, A, Nr. 1379955).
Im erwähnten elektroakustischen Wandler weist das zwischen den Piezoelementen angeordnete elastische Element eine solche Länge auf, daß der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Piezoelemente der halben Längen der akustischen Welle gleich ist.
Darüber hinaus ist der Abstand zwischen dem Mittelpunkt eines jeden Piezoelementes und den Stirnflächen des erwähnten elektroakustischen Wandlers ebenfalls der halben Länge der akustischen Welle gleich.
Auf dieser Weise liegen die Piezoelemente in der Zone maximaler mechanischer Spannungen, was bei Zunahme der zugeführten elektrischen Leistung entweder zur Zerstörung von Piezoelementen oder zur Überhitzung derselben und Senkung der Betriebszuverlässigkeit und -stabilität des elektroakustischen Wandlers führt.

Offenbarung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung war die Aufgabe zugrunde gelegt, einen elektroakustischen Wandler zu schaffen, in dem die Länge des zwischen den Piezoelementen angeordneten elastischen Elementes so gewählt ist, daß dies eine Steigerung der Ausgengsleistung des elektroakustischen Wandlers unter gleichzeitiger Erhöhung seiner Betriebszuverlässigkeit und -stabilität gewährleisten würde.
Dies ist dadurch erreicht, daß im elektroskustischen Wandler, der aufeinanderfolgend angeordnete und über ihre Stirnflächen kontaktierende: ein erstes elastisches Element, ein erstes Piezoelement, ein zweites elastischen Element, ein zweites Piezoelement und ein drittes elastisches Element enthalt, deren Gesamtlänge einer ganzen Zahl von Halbwellen der Arbeitslänge der akustischen Welle gleich ist, während die Längen des ersten und dritten elastischen Elementes untereinander etwa gleich sind, erfindungsgemäß die Länge des zwischen dem ersten und dem zweiten Piezoelement angeordneten elastischen Elementes einer ungeraden Zahl von Viertelwellen der Arbeitslänge der akustischen Welle gleich ist.
Das Trennen der Piezoelemente im zu patentierenden elektroakustischen Wandler durch ein elastisches Element von einer Länge, die einer ungeraden Zahl von Viertelwellen der Arbeitslänge der akustischen Welle gleich ist, führt däzu, daß diese Piezoelemente während des Betriebes außerhalb des Bereichs maximaler mechanischer Spannungen liegen, wodurch die Ausgangsleistung dieses elektroakustischen Wandlers unter gleichzeitiger Erhöhung seiner Betriebszuverlässigkeit und -stabilität gesteigert werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung in der Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels derselben unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen erläutert, in denen es zeigt;

Fig. 1 den erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler (Vorderansicht, im teilweisen Längsschnitt);
Fig. 2 ein Verteilungsdiagramm der Amplitude der mechanischen Schwingungen entlang dem erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler, wo auf der Ordinatenachse in relativen Einheiten Schwingungsamplitudenwerte (ξ), auf der Abszissenachse aber der Abstand von einer der Stirnflächen des elektroakustischen Wandlers von Fig. 1 in Anteilen der Wellenlänge (L) ausgedrückt, abgetragen sind;
Fig. 3 ein Verteilungsdiagramm der Amplitude der mechanischen Schwingungen entlang dem erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler, wo auf der Ordinatenachse in relativen Einheiten die Amplitudenwerte (τ) der mechanischen Spannungen, auf der Abszissenachse aber der Abstand vom einer der Stirnflächen des elektroakustischen Wandlers von Fig. 1, in Anteilen der Wellenlänge (L) ausgedrückt, abgetragen sind.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Der erfindungsgemaße elektroakustische Wandler enthält aufeinanderfolgend angeordnete und über ihre Stirnflächen kontaktierende: ein elastisches Element 1 (Fig. 1), ein Piezoelement 2, ein elastisches Element 3, ein Piezoelement 4 und ein elastisches Element 5, deren Gesamtlänge einer ganzen Zahl von Halbwellen der Arbeitslange der akustischen Welle gleich ist, d.h. n. λ /2 beträgt, wo n eine ganze Zahl von Halbwellen der Arbeitswelle λ der akustischen Welle bedeutet.
In der vorliegenden Ausführungsform des elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung sind die Längen der elastischen Elemente 1 und 5 einander gleich. Jedoch können sich diese Längen auch etwas voneinander unterscheiden.
Die Länge des elastischen Elementes 3 ist einer ungeraden Zahl von Viertelwellen der Arbeitslänge der akustischen Welle gleich, d.h., sie macht (2n - 1)·λ/4 aus.
Die Piezoelemente 2 und 4 sind in Form von zwei Piezokeramikringen 6 ausgeführt, die elektrische Anschlüsse 7 besitzen, welche als elektrischer Eingang des zu patentierenden elektroakustischen Wandlers dienen, der an eine Quelle sinusförmiger Wechselspannung U angeschlossen ist, die in der Zeichnung vereinfacht durch Klemmen 8 wiedergegeben ist.
Die elastischen Elemente 1, 3 und 5 sind in Form von Muttern ausgeführt, die mit ihrem Gewinde 9 auf einen Gewindestift 10 aufgeschraubt sind. Die elastischen Elemente 1, 3 und 5 sowie der Gewindestift 10 sind geerdet.
Der Innendurchmesser der Bohrungen der die Piezoelemente 2 und 4 bildenden Piezokeramikringe 6 ist größer als der Durchmesser des Gewindestiftes 10, was ein Verbinden der Anschlüsse 7 mit den geerdeten elastischen Elementen 1, 3, 5 sowie dem Gewindestift 10 ausschließt.
Die Stirnflächen 11 und 12 der jeweiligen elastischen Elemente 1 und 5 dienen als ein Ausgang der akustischen Wellen im zu patentierenden elektroakustischen Wandler.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers besteht in folgendem.
Beim Verbinden der Anschlüsse 7 (Fig. 1), die als elektrischer Eingang des erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers dienen, mit einer Quelle sinusförmiger Wechselspannung U, die sich mit einer Frequenz ändert, welche der Frequenz der mechanischen Resonanz des elektroakustischen Wandlers von Fig. 1 gleich ist, erzeugen die Piezoelemente 2 und 4 mechanische Schwingungen, die sich entlang dem erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers ausbreiten. Dabei werden von den als Ausgang dienenden Stirnflächen 11 und 12 des elektroakustischen Wandlers akustische Wellen in die Umgebung ausgestrahlt.
Eine Kurve 13 (Fig. 2) gibt die Verteilung der Schwingungsamplitude entlang dem zu patentierenden elektroakustischen Wandler für die von dem einen Piezoelement 2 erzeugten Schwingungen, eine Kurve 14 aber dieselbe für die von dem anderen Piezoelement 4 erzeugten Schwingungen wieder. Infolge der Addition dieser Schwingungen entsteht eine Summenschwingung, deren Amplitudenverteilung durch eine Kurve 15 in der Zeichnung dargestellt ist. Die Amplitude ξ max der Summenschwingungen der Stirnflächen 11 und 12 des erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers ist um das Doppelte größer als die Amplitude der Schwingungen, die getrennt von jedem der Piezoelement 2 bzw. 4 erzeugt werden. Also ist die am Ausgang des zu patentierenden elektroakustischen Wandlers aufgebrachte akustische Gesamtleistung um den Faktor vier größer.
Die Kurven 16 (Fig. 3) und 17 geben die Verteilung der Amplituden von mechanischen Spannungen, die entlang dem erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler entstehen, bei der Ausbreitung von getrennt von den Piezoelementen 2 und 4 erzeugten Schwingungen wieder. Die Kurve 18 gibt die Verteilung der Amplituden τ_max der mechanischen Gesamtspannungen entlang dem erfindungsgemaßen elektroakustischen Wandler wieder.
Wie es aus dem in Fig. 3 dargestellten Diagramm ersichtlich ist, befinden sich die Piezoelemente 2 (Fig. 1) und 4 in einem Bereich, wo die mechanischen Spannungen keinen Größtwert erreichen. Wenn, man annimmt, daß τ max (Fig.3) einen Schwellwert der mechanischen Spannung bedeutet, bei der die Zerstörung der Piezoelemente 2 und 4 eintritt, so ist es erkennbar, daß die zugeführte elektrische Leistung um das 0,7fache vergrößert werden kann, ohne daß eine Zerstörung der Piezoelemente geschieht.
Eine Abnahme der mechanischen Spannungen in den Piezoelementen 2 und 4 führt zur Verkleinerung von mechanischen Verlusten und somit zur Erniedrigung der Erhitzungstemperatur der Piezoelemente 2 und 4, was zur Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit und -stabilität des zu patentierenden elektroakustischen Wandlers im ganzen beiträgt.
Im konkreten Ausführungsbeispiel des elektroakustischen Wandlers gemäß Fig. 1 ist jedes Piezoelement 2 und 4 in Form von zwei piezokeramikringen 6 mit einem Außendurchmesser von 40 mm, einem Bohrungsdurchmesser von 20 mm und einer Stärke von 4 mm ausgeführt. Die Länge der elastischen Elemente 1 und 5 betragt 18 mm, die Länge des elastischen Elementes 3 macht 60 mm aus. Die elastischen Elemente 1, 3, 5 sind aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der mechanischen Wellen in dieser Legierung betragt 4,8.10³ m/s. Also macht die Länge des elastischen Elementes 3 λ /4 aus. Der Gewindestift 10 ist aus Stahl gefertigt. Die Arbeitsfrequenz dieses Wandlers ist 20 kHz.
Der erfindungsgemäße elektroakustische Wandler gewährleistet eine vierfache Steigerung der Ausgangsleistung unter gleichzeitiger Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit und -stabilität, was zur Verlängerung der Lebensdauer und Reduzierung des Reparaturaufwandes für den Wandler führt.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Der elektroakustische Wandler kann in den technologischen Ausrüstungen angewendet werden, die die akustischen Wellen beim Spülen, Tränken und Schweißen von Erzeugnissen verschiedener Konfiguration verwenden.

Claims

Elektroakustischer Wandler, der aufeinanderfolgend angeordnete und über ihre Stirnflächen kontaktierende: ein erstes elastisches Element (1), ein erstes Piezoelement (2), ein zweites elastisches Element (3), ein zweites Piezoelement (4) sowie ein drittes elastisches Element (5) enthält, deren Gesamtlänge einer ganzen Zahl von Halbwellen der Arbeitslänge der akustischen Welle gleich ist, während die Längen des ersten elastischen Elementes (1) und des dritten elastischen Elementes (5) untereinander etwa gleich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zwischen dem ersten Piezoelement (2) und dem zweiten Piezoelement (4) angeordneten zweiten elastischen Elementes (3) einer ungeraden Zahl von Viertelwellen der Arbeitslänge der akustischen Welle gleich ist.