Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_11552
.pdf
звукопередающей среде, причем указанные секции или блоки расположены на некотором расстоянии друг от
друга и соединены между собой относительно тонкими перемычками.
Ранее было предложено использовать для преобразования энергии электрических и акустических волн
расширяющееся вибрирующее тело, толщина которого определяется длиной волны колебаний внутри этого
тела и может составлять половину такой длины волны, причем это тело поддерживается неподвижным
корпусом с помощью диафрагмы, которая может быть соединена с телом в разных точках по его длине, но,
как правило, с узловой зоной тела. Согласно этому предложению, множество таких вибраторов может быть
объединено в группы для передачи или приема звуков в любом желаемом направлении.
Кроме того, было предложено создать вибратор, вибрационная часть которого образована множеством
параллельных трубок из магнитострикционного материала, расположенных в поле электромагнитных обмоток
и жестко соединенных с обоих концов относительно тяжелыми металлическими концевыми нагрузками, одна
из которых со своей торцевой поверхности подвергается воздействию звукопередающей среды.
Изобретение будет объяснено далее в связи с прилагаемыми чертежами, на которых фиг. 1 представляет
собой план предпочтительного варианта осуществления вибратора согласно настоящему изобретению; фиг.
Рис. 1 представляет собой разрез, выполненный по линии 2-2, в направлении стрелок; рис. 3 —
перспективное изображение в большем масштабе, на котором в разрезе показан один из
магнитострикционных приводных элементов и катушка питания; рис. 4 — аналогичное перспективное
изображение модификации; и рис. 5 — схематическое изображение 70 цепей и устройств, иллюстрирующих
один из вариантов изобретения, примененного к пьезоэлектрическому кристаллическому приводу.
Изобретение проиллюстрировано на прилагаемых чертежах в применении к сверхзвуковому передатчику или
приемнику, но очевидно, что изобретение не ограничивается этим и применимо к другим типам передатчиков,
а также к приемникам. Устройство, если оно предназначено для использования под водой, может быть
установлено во вращающемся подводном корпусе или может быть закреплено на любом объекте 1,
например, на борту водного судна, с помощью болтов 3, проходящих через отверстия 5 в относительно
неподвижной внешней инерционной кольцевой части 2. Внутренняя вибрационная часть 4, цилиндрическая
или дискообразная, интегрирована с внешней кольцевой частью 2 относительно тонкой кольцевой
перегородкой C 90 A; Таким образом, достигается равномерное металлическое соединение между наружным
кольцом 2 и вибрирующей частью 4. Перемычка 6 достаточно тонкая, чтобы быть относительно податливой,
что позволяет излучающей поверхности N7 части 4 вибрировать, по существу, как «поршень», как объяснено
выше, в направлении, перпендикулярном ее собственной плоскости, причем практически все изгибание
происходит в перемычке 6. Большая масса инерционного кольца 2 предотвращает передачу вибрации на
него.
Как указано выше, осевая длина вибрирующей части устройства приблизительно равна половине длины
волны звука, распространяющегося в указанной части. Следовательно, если один торцевой элемент
вибрирует аксиально по петле, то другой торцевой элемент также должен вибрировать по петле, но в
противоположном направлении, т.е. с разностью фаз приблизительно 180°, в то время как между двумя
торцевыми элементами будет расположена узловая зона, в которой тело не вибрирует аксиально. Таким
образом, перемычка 6 располагается в петле вибрации части 4.
По указанным выше причинам вибрирующая часть устройства должна иметь как можно большее поперечное
сечение и как можно меньшую осевую длину, но все точки должны вибрировать в фазе над каждой торцевой
поверхностью.
Однако ограничение при выборе большой площади поперечного сечения по сравнению с осевой длиной
невелико, поскольку цилиндр имеет тенденцию вибрировать не только в соответствии со своей основной, но и
со многими более высокими модами колебаний, что приводит к образованию узловых линий на его
излучающей поверхности. Это явление усиливается тем фактом, что, если диаметр достаточно велик по
сравнению с его осевой длиной, некоторые из перемычек, такие как перемычки 19, и необходимая поперечная
вибрация материала вблизи верхней или нижней грани в его срединной плоскости ограничена вибратором,
как показано на рис. 2 и 3. Поэтому части излучающей поверхности могут быть опущены. Кроме того,
перемычка 6 имеет тенденцию вибрировать в фазе, противоположной фазе других частей. На расстоянии
части могут быть расположены по-разному, например, вблизи приводной поверхности. Вместо этого
колебания, возникающие на этой поверхности вблизи излучающей или принимающей поверхности, будут
компенсировать друг друга, так что, как показано на рис. 75, вибратор не будет эффективно излучать
сфокусированный пучок звуковой энергии. Как описано ранее, существует узел соображений, особенно
сильно влияющий на продольное движение примерно на половине высоких частот между их поверхностями 7
и 9 и петлями колебаний. Вибрационная часть 4, показанная на рис. 1, 2, 3 и 4, разделена на секции или
блоки, имеющие значительную собственную частоту 6 вблизи одной из этих петель колебаний.
Согласно представленному на рисунке предпочтительному варианту осуществления изобретения, привод
блоков 85 может быть двух видов: центральный, внутренний, цилиндрический или дискообразный блок 8 и
семь внешних блоков 10, каждый из которых имеет форму кольцевого сердечника 14, что приводит к
индивидуальному приводу блоков 8 и 90. Однако, круговое расположение отдельных блоков 8 и 90 является
лишь предпочтительной формой, и можно использовать и другие формы. Таким образом, блоки могут быть
приводятся в движение любым другим желаемым способом. Теоретически работоспособным является
использование отдельных блоков 8 и 10, а также зажимных сердечников 14, расположенных в виде
прямоугольной сборки квадратных блоков, показанной на фиг. 5.
Устройства для удержания прямоугольной диафрагмы или пьезоэлектрического элемента 95, при работе в
магнитострикционном режиме, неравномерны по периферии и несколько ненадежны при воздействии
реверсивных внутренних напряжений для получения высоких частот. При работе в гексагональном режиме и
других режимах пьезоэлектрического воздействия блоки 8 и 10 приводятся в действие с помощью
реверсивных внутренних напряжений для получения высоких частот. Также могут использоваться сердечники
14, которые могут быть изготовлены из любого желаемого материала. Секторные секции или блоки 10 имеют
магнитострикционную структуру. Они соединены друг с другом относительно тонкими радиально
расположенными перемычками 12, что выгодно с точки зрения малой площади поперечного сечения по
сравнению с площадью блоков, расположенных на или вблизи осевых верхних и нижних концов блоков, и с
блоками 8 и 10, к которым они прикреплены, очень хорошо работают на практике. Тонкие, но кольцевые
перемычки 13. Блоки могут быть жестко прикреплены к нижнему концу и механически соединены друг с
другом. Внутренняя резьбовая крышка 16 такова, что, хотя возможно использование приводных средств, с
помощью которых поры могут быть навинчены по отдельности, каждая из противоположных сторон на винте
18, который интегрированно закреплен на поверхностях 7 и 9 вибрационной части 4 будет притягиваться к
блокам 8 и 10. Сердечники 14 могут вибрировать как «поршень» с поверхностями 7 и 9, расположенными в
одной фазе. Тела этого типа могут быть удобно изготовлены путем литья и питания от любого желаемого
источника. Вибрационная часть 4 разделена на восемь резонансных постоянных магнитных поляризаций для
блоков, а пространства между ними позволяют срединному узлу такой длинной 5; Секции отдельных блоков
подвергаются поперечным расширениям и сжатиям, вибрация происходит независимо от движения каждого
свободного и прикрепленного конца, без реакции какого-либо блока на другие, в то время как один или
несколько узлов будут оказывать неблагоприятное воздействие на другие, и соответствующим образом
расположены вдоль сердечника. Таким образом, без введения вибраций, вибрации нижней части сердечника
14 различной фазы в различных его частях будут передаваться на блок излучающей поверхности 7. Эти
пространства 8 или 10, к которым он прикреплен, и пространство 125 между перемычками 12 и между
блоками, в свою очередь, также будут вибрировать. Перемычки 13 не должны быть очень широкими,
поскольку степень вибрации зависит от того, насколько близко она приближается к резонансной частоте и
определяется скорее соображениями о резонансной частоте сердечника 14, 3 4 407, 04 и величиной
внутренних потерь на трение. Теоретически, сердечник 14 и блок, к которому он крепится, должны иметь
практически одинаковую собственную частоту. Для того чтобы колебания трубки могли взаимодействовать
друг с другом, не требуется никакой массы, кроме массы самой никелевой трубки. Назначение крышки 16
состоит в обеспечении удобного способа жесткой сборки сердечника 14 с поверхностью 9, обеспечивая тем
самым прочное соединение между сердечником 14 и поверхностью 9. Однако эта крышка влияет на
резонансную частоту приводного элемента таким образом, который будет продемонстрирован.
Математически можно показать и проверить экспериментально, что оптимальные длины трубок 14
представляют собой ряд значений, заданных уравнением, где r — продольная скорость звука в металле
трубки, f — резонансная частота возбуждения, 7 — любое нечетное целое число, при этом σ, не зависящее от
TL, определяется массой резьбовой крышки способом, показанным уравнением =tan-l V M, где rf MP mn O —
масса на единицу длины трубки, а σ — общая масса крышки.
Из уравнения для L видно, что последовательные оптимальные значения получаются, начиная с наименьшего
значения L = (?,2 + 4)5, когда / =I, и увеличивая длину этого значения путем последовательного добавления
112 A, где A представляет собой длину волны.
Благодаря правильной конструкции секций 8 и 10, сердечников 14 и катушек 20, а также фазовому смещению
тока в катушках, блоки 8 и 10 будут приводиться в движение синхронно, в результате чего излучающая
поверхность 7 будет иметь резонансную частоту, скажем, 30 килогерц, а её движение будет очень близко к
истинному «поршневому» движению. Перемычки 12 и 13 сделаны короткими, так что у них нет возможных
режимов колебаний с частотой 30 Гц = 50 килогерц. Таким образом, они не будут вносить мешающие режимы
колебаний на поверхность 7 вибратора в целом. Последний, следовательно, представляет для среды, такой
как вода, практически плоскую поверхность 7, все части которой находятся во временной фазе.
Конструкция деталей может варьироваться в зависимости от поставленной задачи. Как показано на рис. 4,
между 60 секторами 10 и кольцом 2 может быть установлено дополнительное кольцо из секторов 15,
разделенное перегородкой 17, аналогичной перегородке 16. Вибратор для плитки по-прежнему будет
состоять из головки сжатия, работающей так же, как описано ранее. Предполагается, что вибратор изготовлен
из металла с низкой механической вязкостью.
Алюминий обладает низкой вязкостью, его упругие потери и декремент низки, что позволяет получить очень
удовлетворительный вибратор. 7 G. Работу устройства можно улучшить, используя в корпусе алюминий с
содержанием кремния около 5 процентов.
Кремний, хотя и не оказывает существенного влияния на вибрационные характеристики, снижает температуру
плавления (75 °C) и, следовательно, облегчает литейные операции.
Желательно обеспечить как можно большую вибрирующую поверхность для среды при минимальной
сложности конструкции. Отдельные блоки или секции должны, следовательно, иметь как можно большую
излучающую поверхность. Металл вибратора, следовательно, предпочтительно должен быть таким, чтобы
объемная скорость распространения звука в нем была большой. Алюминий, помимо низкой механической
вязкости, также обладает большой объемной скоростью распространения звука.
Можно вычислить наиболее подходящие 90 возможных размеров для блоков. Для цилиндрического блока,
такого как блок 8, практический минимальный предел отношения длины к радиусу поперечного сечения блока
составляет примерно 3 к 1 для всех частот. Если отношение значительно меньше этого значения, блок не
будет вибрировать простым образом, как описывалось ранее, но на излучающей поверхности появится ряд
узловых линий из-за ограничения необходимой боковой вибрации в срединной плоскости. То же отношение
приблизительно применимо для прямоугольных и секторных блоков, заменяя радиус половиной стороны
квадратного сечения или половиной средней ширины дуги сектора 105. Длина определяется требуемой
частотой и объемной скоростью распространения звука в материале блока.
Для алюминиевых блоков следующие размеры оказываются удобными при частоте 30–110 килогерц:
a = 1 дюйм, приблизительно L = 3 дюйма, приблизительно, где a — радиус блока 8 или половина средней
ширины дуги поперечного сечения блока 10, а L — высота блоков. Таким образом, отношение ширины к
ширине не существенно меньше 3/2a. Резонансные частоты двух коротких цилиндров одинаковой длины,
площади сечения которых равны (L = v r O k 7 C-2-IZ + i 407,704), один из которых круглый, а другой
квадратный, почти, но не совсем равны. Если количество секторных блоков 10 выбрано правильно, их
площади не будут сильно отличаться от площади центрального блока 8. При правильном проектировании
площади блоков 8 и 10 могут быть сделаны точно равными, при этом отношение средней ширины дуги к
радиальной толщине почти равно единице для каждого из секторных блоков. Это приближение к единице
зависит от количества блоков на кольце и становится тем лучше, чем больше средний радиус кольца.
При проектировании вибратора вычисляется количество целых блоков в заданном кольцевом пространстве.
Отклонение от единичного отношения ширины к толщине, необходимое для обеспечения равенства
площадей поперечного сечения, вносит незначительную погрешность в вычисление частоты.
Однако, из-за различия в форме между блоком 8 и блоком 10, а также из-за воздействия нагрузок от
перегородок 6, 12 и 13, было обнаружено, что высота блока 8 при определенных условиях может немного
отличаться от высоты блока q10, в противном случае частота центрального блока 8 будет немного отличаться
от частоты других блоков 10. Точную конструкцию сложно рассчитать математически, но лучше всего ее
проверить экспериментально.
На рис. 3 центральный блок 8 показан немного короче кольцевых блоков 10, а верхние грани перемычек 12 и
13 расположены в одной плоскости с верхней гранью центрального сектора 8. Эти перемычки, конечно же, не
должны располагаться ниже, в точке узлового расширения и сжатия, но могут быть расположены в другом
месте.
Частоту продольно вибрирующего стержня можно вычислить даже тогда, когда отношение радиуса
поперечного сечения к длине становится большим, внеся соответствующую поправку на радиальную
инерцию. Если длина невелика по сравнению с диаметром стержня, выражение для частоты продольного
резонанса короткого толстого стержня эллиптического или прямоугольного поперечного сечения, как указано
в работе (Three Quart Math Journal, Vol 23, p 317, 1889), принимает вид: - /2 l 1 _ r 7 d Cph 2 -K 21 tb if= 2 L-<-ll
l-L) -i, где / — частота в циклах в секунду, k — любое целое число, нечетное или четное, L — общая длина
стержня, E — модуль упругости, d — плотность, P — коэффициент Пуассона, обычно принимаемый равным
113, и K — радиус инерции сечения относительно цилиндрической оси.
Приведенное выше уравнение справедливо и для случая, когда KII мало. Тогда оно сводится к f = FL V/ -t, что
является известной формулой для частоты продольных колебаний в тонком стержне.
Разница между этой последней формулой (70%) и более точной формулой, приведенной Кри для общего
случая, составляет небольшую поправку, около 3 процентов.
для стержней, в которых отношение радиуса поперечного сечения или половины стороны прямоугольного
сечения к длине составляет примерно 1:3.
Отношение E/d, которое является квадратом объемной скорости, может быть вычислено после
экспериментов, проведенных с конкретным используемым материалом, и полученный результат может быть
использован в связи с расчетом новых вибраторов из этого материала.
Используя эти формулы для частот блока, можно обнаружить, что если a = 1 дюйм, как указано выше, то
соответствующая длина центрального алюминиевого блока 8, определенная для частоты 30 килогерц,
составляет L = 3,2 дюйма.
Это весьма точное приближение к упомянутому ранее соотношению 90 3 к 1. Однако на практике хорошие
результаты могут быть получены, если это соотношение равно или даже превышает 20 к 1. Толщина
вибратора равна половине длины звуковой волны в материале, из которого он изготовлен, или целым
кратным длине полуволны.
Эти размеры подходят для частоты 30 логарифмических килогерц. Для увеличения площади поверхности
звукоизлучающей плоскости 7 на этой частоте предпочтительно добавить дополнительные кольца 22 из
секторных блоков между кольцевыми блоками 10 и неподвижной кольцевой частью 2 j 05, как показано на рис.
4.
Согласно модификации, показанной на рис. 5, каждый из блоков приводится в движение пьезоэлектрическим
кристаллом 24 1 O, жестко закрепленным с одного конца с помощью подходящего цемента на верхней грани 9
блока. Кристаллические электроды могут состоять из слоев оловянной фольги 26, нанесенных на
противоположные грани кристалла, но могут быть использованы любые другие электроды подходящего типа.
Слои оловянной фольги или другие электроды могут быть соединены проводниками 28 параллельно катушке
30, соединенной с катушкой 32 120 в выходной цепи лампового генератора 34 или любого другого источника
переменного тока. Частота 407,704 на выходе этого генератора может регулироваться с помощью
настроечного конденсатора 36. Дополнительный конденсатор 38, подключенный параллельно кварцевым
вибраторам 24, может использоваться для регулировки напряжения на кварцевых резонаторах.
Следует понимать, что изобретение не ограничивается изображенными вариантами его осуществления, а
допускает дальнейшие модификации и изменения в пределах квалификации мастера, и все такие
модификации и изменения считаются подпадающими под сущность и объем изобретения, как определено в
прилагаемых пунктах формулы изобретения.
H 1, подробно описав и установив характер моего заявления в Йенитионе и то, каким образом оно должно
быть сделано.
Соседние файлы в папке патенты