DD211439A1 - RADIAL RESONANCE SWITCH WITH ADDITIONAL MASS FOR FREQUENCY TRANSFORMATION - Google Patents
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Abstract
Radialschwinger mit Zusatzmassen zur Frequenztransformation werden als Schallwandler benutzt, z.B. in elektroakustischen Anlagen. Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Einsatzmoeglichkeiten des piezoelektrischen Materials zu erweitern und neue konstruktive Moeglichkeiten zu schaffen. Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Methode, mit der die Resonanzfrequenz von piezoelektrischen Scheiben kontinuierlich veraendert werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch geloest, dass die Zusatzmassen auf der Mantelflaeche oder den Mantelflaechen einer piezoelektrischen Scheibe oder eines piezoelektrischen Zylinders angebracht sind.Radial oscillators with additional masses for frequency transformation are used as sound transducers, e.g. in electroacoustic systems. The object of the invention is to expand the application possibilities of the piezoelectric material and to create new constructional possibilities. The object of the invention is to provide a method by which the resonant frequency of piezoelectric disks can be changed continuously. This object is achieved in that the additional masses are mounted on the lateral surface or the lateral surfaces of a piezoelectric disk or a piezoelectric cylinder.
Description
Radialresonanzschwinger mit Zusatzmassen zur FrequenztransxormationRadial resonance oscillator with additional masses for frequency transduction
Die Erfindung kann dort verwendet werden, wo mechanische Schwingungen zur Heratellung von Schallwandlern benutzt werden.The invention can be used where mechanical vibrations are used for the manufacture of sound transducers.
Slektroakustische Wandler hoher Leistung werden bei einer ihrer Resonanzfrequenzen betrieben, die von den Längenabinessungen der Wandler abhängen. Die Veränderung der Resonanzfrequenz durch das Anbringen von Susatzmassen auf den Deckflächen piezoelek-. trischer Scheiben ist bei Dickerschwingungen üblich und unter dem Begriff "Hantel- oder Sandwichschwinger" bekannt (Laiigevin, P. Franz. Patent Hr. 502913; 505703; 575435).High power slept acoustic acoustic transducers are operated at one of their resonant frequencies, which depend on the length considerations of the transducers. The change in the resonance frequency by the attachment of Susatzmassen on the top surfaces piezoce-. tric discs is common in thick vibrations and is known by the term "dumbbell or sandwich transducer" (Laiigevin, P. Franz. Patent Hr. 502913; 505703; 575435).
Es hat sich gezeigt, dai- die- Verwendung verschiedener Schwingungsmoden zur Schallabstrahlung geeignet ist. Insbesondere lassen sich mit piezoelektrischen Scheiben hohe akustische' Leistungen in Dickenric>r:ung abstrahlen, wenn die Scheiben bei Radiairesonanz betrieben werden (DD/'</P 2313821). Die Radialresonanzfrequenz piezoelektrischer Scheiben hängt von den vom Hersteller genormten Abmessungen und Werkstoffen ab, somit sind auch nur solche Radialreso:;anzfrequenzen verfugbar, die den genannten Staffelungen entsprechen. Bisher ist nicht bekannt, daßIt has been shown that the use of different vibration modes is suitable for sound radiation. In particular, piezoelectric disks can be used to emit high acoustic powers in terms of thickness when the disks are operated in radial resonance (DD / '</ P 2313821). The radial resonance frequency of piezoelectric disks depends on the dimensions and materials standardized by the manufacturer, thus only such radial frequencies are available which correspond to the mentioned graduations. So far it is not known that
die Radialresonanzfrequenzen piezoelektrischer Scheiben durch. die Anbringung von Zusatzmassen kontinuierlich verändert worden sind.the radial resonance frequencies of piezoelectric disks through. the attachment of additional masses have been continuously changed.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Das Ziel der Erfindung ist es, die üinsatzmöglichkeiten des piezoelektrischen Materials zu erweitern und neue konstruktive Möglichkeiten zu schaffen.The aim of the invention is to expand the possible uses of the piezoelectric material and to create new design possibilities.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Methode mit der die Radialresonanzfrequenz von piezoelektrischen Scheiben kontinuierlich verändert werden kann. Die Radialresonanzfrequenz von Scheiben ist von bestehenden Randbedingungen auf den Mantelflächen abhängig.· Sofern diese Mantelflächen frei schwingen oder an ein Medium mit einer sehr viel geringeren akustischen Impedanz als die des Scheibenmaterials grenzen, sind die Randbedingungen durch das Fehlen mechanischer Normalspannungen (Nullstellen des Druckes) auf den Mantelflächen gegeben, wie es in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Dieser Zustand ist nur bei ganz bestimmten Frequenzen, den Eigen- oder Resonanzfrequenzen möglich (Pig. 1, Pig. 2).The object of the invention is to provide a method with which the radial resonance frequency of piezoelectric disks can be changed continuously. The radial resonance frequency of disks is dependent on the existing boundary conditions on the lateral surfaces. · If swing or these lateral surfaces free adjacent to a medium with a much lower acoustic impedance than that of the disk material, the boundary conditions by the absence of mechanical normal stresses (zeros of pressure) are given the lateral surfaces, as shown schematically in Fig. 1. This state is only possible at very specific frequencies, the natural or resonant frequencies (Pig. 1, Pig. 2).
Erfindungsgemäß wird nun eine Mantelfläche (oder mehrere Mantelflächen werden) mit einem konzentrischen Ring, d. h. einer Zusatzmasse verbunden, wodurch der Abstand zwischen den Nullstellen der Radialspannung vergrößert und damit die Radialresonanzfrequenz verringert wird.According to the invention will now be a lateral surface (or more lateral surfaces) with a concentric ring, d. H. an additional mass connected, whereby the distance between the zeros of the radial voltage increases and thus the radial resonance frequency is reduced.
Pur dünne Xreisringscheiben läßt sich die zu einer gewünschten Verringerung der Resonanzfrequenz erforderliche Breii;e des Ringes berechnen. Die radiale Yerschiebungsamplitude y der Schwingung genügt der DifferentialgleichungPurely thin X-ring discs can calculate the required for a desired reduction of the resonance frequency Breii; e of the ring. The radial displacement amplitude y of the oscillation satisfies the differential equation
ifif
Darin bedeuten:In this mean:
y : Verschiebung (Amplitude) γ- : Längenkoordinate in radialer Richtung CO i Kreisfrequenzy: displacement (amplitude) γ-: length coordinate in the radial direction CO i angular frequency
Cy : Schallgeschwindigkeit in radialer Richtung Cy : speed of sound in the radial direction
Die radiale Normalspannung <S"r istThe radial normal stress <S " r is
Die Randbedingungen auf den freien Mantelflächen lauten alsoThe boundary conditions on the free lateral surfaces are therefore
Dabei bedeuten:Where:
ψ' : Poisson-Zahl f : Dichte ψ ': Poisson number f : density
Auf den Grenzflächen zwischen dem piezoelektrischen Werkstoff und dem Zusatzring gelten die physikalisch notwendigen Stetigkeitsbedingungen \iA « Hz , d. h. die Gleichheit der Verschiebungen und <3τ% « <S"r2 die Gleichheit der Sormalspannungen auf beiden Seiten der Grenzen.On the interfaces between the piezoelectric material and the additional ring the physically necessary continuity conditions \ i A " Hz apply , ie the equality of the displacements and <3τ% "<S"r 2 the equality of the normal stresses on both sides of the boundaries.
Durch geeignete Materialkombinationen mit dem piezoelektrischen Werkstoff lassen sich die Radialspannungen absenken und damit die Belastbarkeit des Schwingers erhöhen. Außerdem kann die Schwingungsamplitude auf der äußeren Mantelfläche vergrößert werden, was im Falle einer beabsichtigten Schallabstrahlung in radialer Richtung von Vorteil ist.By suitable combinations of materials with the piezoelectric material, the radial stresses can be lowered and thus increase the load capacity of the vibrator. In addition, the vibration amplitude can be increased on the outer surface, which is advantageous in the case of an intended sound radiation in the radial direction.
ÄS wird als Grundkörper eine piezoelektrische Ringscheibe aus Piezolan L des Typs 1576.3-6622.94 aus der Produktion der Keramischen Werke Hernisdorf vorgegeben. Die Abmessungen sind:Also known as the base body is a piezolan L piezoelectric ring disk of the type 1576.3-6622.94 from the production of Keramische Werke Hernisdorf. The dimensions are:
Dicke'= 6 mm Bohrung = 15 mm Scheibendurchmesser =i 50 mm AL-Ringdurchinesser = 70 mmThickness' = 6 mm Bore = 15 mm Disc diameter = i 50 mm AL ring diameter = 70 mm
Die Radialresonanzfrequenz der einfachen piezoelektrischen Scheibe 1 beträgt 110 kHz. Auf dem äußeren Mantel wird ein konzentrischer Aluminiumring-2 von der. gleichen Höhe (6 mm) und von 10 rom Breite befestigt. Durch den Aluminiumring wird die Radialresonanzfrequenz des kombinierten Schwingers (piezoelektrische Scheibe mit Zuaatzring) auf 90 kHz verringert.The radial resonance frequency of the simple piezoelectric disk 1 is 110 kHz. On the outer jacket is a concentric aluminum ring-2 of the. same height (6 mm) and fixed by 10 rome width. The aluminum ring reduces the radial resonance frequency of the combined vibrator (piezoelectric disk with additional ring) to 90 kHz.
Die.kraftschlüssige Verbindung zwischen den Werkstoffen ist durch Verklebung mit Epoxydharz hergestellt, um einen elektrischen Kurzschluß der Silberelektroden 3 über den Aluminiumriiig zu vermeiden, sind die der piezoelektrischen Scheibe 1 zugewandten Kanten.des Aluminiumringes gebrochen. Außerdem sorgen die bei der Montage herausgequetschten Überschüsse des Klebers in der durch Kantenbrechung erzeugten Rille 4 für eine ausreichende galvanische !Trennung der Silberbeläge vom Aluminiumring. Die erzielte Prequenztransformation von 110 kHz auf kHz ist experimentell durch Wobbein der elektrischen Impedanz der piezoelektrischen Scheibe mit und ohne Aluminiumring ermittelt worden. Der lachweis läßt sich ebenso durch die numerische Behandlung der Gleichungen (1) bis (3) mit den erwähnten Stetigkeitsbedingungen führen.Die.kraftschlüssige connection between the materials is made by bonding with epoxy resin to avoid an electrical short circuit of the silver electrodes 3 on the Aluminiumriig, the piezoelectric disc 1 facing Kanten.des aluminum ring are broken. In addition, the squeezed out during assembly surplus of the adhesive in the generated by edge refraction groove 4 ensure sufficient galvanic separation of the silver coatings from the aluminum ring. The obtained frequency response of 110 kHz to kHz has been determined experimentally by wobbling the electrical impedance of the piezoelectric disk with and without aluminum ring. The laughter can also be achieved by the numerical treatment of equations (1) to (3) with the mentioned continuity conditions.
In Pig. 4 sind die errechneten liormalspannungen und die daraus ersichtlichen Lagen der Nullstellen derselben dargestellt. In Fig. 5 sind die errechneten radialen Auslenkungen zwischen dem inneren und äußeren Scheibenmantel dargestellt. Ss ist zu erkennen, daß die Auslenkung auf dem äußeren Mantel durch die Anwesenheit des Aluminiumringes vergrößert wird.In Pig. 4, the calculated normal voltages and the resulting positions of the zeros thereof are shown. In Fig. 5, the calculated radial deflections between the inner and outer disc shells are shown. It can be seen that the deflection on the outer jacket is increased by the presence of the aluminum ring.
Wollte man eine piezoelektrische Ringscheibe (mit gleichem Innendurchmesser und gleicher Dicke) mit einer Radialresonanzfrequenz, von 90 kHz fordern, d. h. statt 17,5 mm müßte sie 22,2 mm betragen (Fig. 5). &an entnimmt- aus Pig. 5, daß sich die Schnelleamplitude am Außenrand beider Varianten wie 6,6/4,9 verhalten. 'If one wanted a piezoelectric ring disk (with the same inside diameter and the same thickness) with a radial resonance frequency, of 90 kHz, d. H. instead of 17.5 mm, it would have to be 22.2 mm (FIG. 5). & on-off Pig. 5, that the fast amplitude at the outer edge of both variants behave like 6.6 / 4.9. '
Das bedeutet: . .That means: . ,
Die radiale Energieabstrahlung infolge des Aluminiumringes ist. um das Verhältnis (6,6/4,9) = 1,8 größer als bei einer einfachen piezoelektrischen Scheibe mit einer Ringbreite von 22,2 Γαία, die die gleiche Resonanzfrequenz von 90 kHz besitzen wiir d e.The radial energy radiation due to the aluminum ring is. by the ratio (6.6 / 4.9) = 1.8 greater than in a simple piezoelectric disc with a ring width of 22.2 Γαία, which have the same resonant frequency of 90 kHz for d e.
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Priority Applications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3512033A1 (en) * | 1985-04-02 | 1986-10-09 | Messer Griesheim Gmbh, 6000 Frankfurt | METHOD FOR AUTOMATICALLY ADJUSTING THE STARTING HEIGHT OF A BURNER |
-
1982
- 1982-11-15 DD DD24484282A patent/DD211439A1/en not_active IP Right Cessation
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