RU2050206C1 - Vibrations energy transformation apparatus - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical acoustics and vibration technique. SUBSTANCE: vibration energy transformation apparatus has curvilinear resonator of mechanical vibrations with cavity and fixing member, transformation member fixed with tension in cavity of mechanical vibrations resonator, inertial masses. Mechanical vibrations resonator wall is made with cut-offs, forming rods system. inertial masses are fixed on corresponding rods of mechanical vibrations resonator in antinodal point of its shifts. Fixing member is made with capability to be coupled with exciting member or with source of mechanical vibrations. EFFECT: simplified design. 7 cl, 4 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к электроакустике и вибротехнике и может быть использовано для преобразования энергии электрических колебаний в энергию механических колебаний, а также для преобразования энергии механических колебаний в электрическую энергию или в тепловую. The invention relates to electroacoustics and vibration engineering and can be used to convert the energy of electrical vibrations into the energy of mechanical vibrations, as well as to convert the energy of mechanical vibrations into electrical energy or thermal.

Известен составной пьезоэлектрический преобразователь стержневого типа, содержащий полости в акустическом резонаторе (авт. св. СССР N 221403, кл. B 06 B 1/00, 1967). Преобразователь содержит соединенные с помощью клея пьезокерамические пластины, тыльные накладки и средний вкладыш с системой отверстий. A composite rod-type piezoelectric transducer containing cavities in an acoustic cavity is known (ed. St. USSR N 221403, class B 06B 1/00, 1967). The transducer contains piezoceramic plates connected with glue, back plates and a middle insert with a system of holes.

Основным недостатком известного преобразователя является недостаточно высокая механическая добротность, обусловленная наличием склейки. The main disadvantage of the known Converter is not a high mechanical figure of merit due to the presence of gluing.

Известен составной электроакустический преобразователь стержневого типа [1] содержащий монолитный акустический резонатор с полостью и крепежным элементом, расположенными в узловой области механических смещений резонатора, и пьезоэлемент, закрепленный с натягом в полости акустического резонатора. Отсутствие клеевых соединений позволяет увеличить добротность составного электроакустического преобразователя. Known composite rod-type electroacoustic transducer [1] containing a monolithic acoustic resonator with a cavity and a fastener located in the nodal region of the mechanical displacements of the resonator, and a piezoelectric element fixed with an interference fit in the cavity of the acoustic resonator. The absence of adhesive joints allows to increase the quality factor of a composite electro-acoustic transducer.

Недостатком указанного устройства является большой габаритный размер вдоль его продольной оси при заданной основной резонансной частоте преобразователя. The disadvantage of this device is the large overall dimension along its longitudinal axis for a given fundamental resonant frequency of the Converter.

Известно устройство для преобразования энергии колебаний [2] содержащее криволинейный резонатор механических колебаний с полостью и крепежным элементом и преобразующий элемент, закрепленный в полости резонатора механических колебаний с натягом. A device for converting vibrational energy [2] containing a curved resonator of mechanical vibrations with a cavity and a fastening element and a converting element mounted in the cavity of the resonator of mechanical vibrations with interference.

Выполнение резонатора механических колебаний криволинейным позволяет уменьшить габариты преобразователя при сохранении основной резонансной частоты. The execution of the resonator of mechanical vibrations curved allows you to reduce the dimensions of the Converter while maintaining the main resonant frequency.

Недостатком этого преобразователя является малое количество преобразованной энергии колебаний на низких частотах из-за большой изгибной жесткости стенки резонатора механических колебаний. The disadvantage of this Converter is the small amount of converted vibrational energy at low frequencies due to the large bending stiffness of the cavity wall of mechanical vibrations.

Целью изобретения является увеличение количества преобразованной энергии колебаний на низких частотах. The aim of the invention is to increase the amount of converted vibrational energy at low frequencies.

Цель достигается за счет того, что в устройство для преобразования энергии колебаний, содержащее криволинейный резонатор механических колебаний с полостью и крепежным элементом, преобразующий элемент, закрепленный с натягом в полости резонатора механических колебаний, дополнительно введены инерционные массы, а стенка резонатора механических колебаний выполнена с разрезами, образующими систему стержней, причем инерционные массы закреплены на соответствующих стержнях резонатора механических колебаний в пучности его смещений, а крепежный элемент резонатора механических колебаний выполнен с возможностью соединения с возбуждаемым элементом или с источником механических колебаний. The goal is achieved due to the fact that inertial masses are additionally introduced into the device for converting vibrational energy containing a curvilinear resonator of mechanical vibrations with a cavity and a fastening element, a converting element fixed with an interference fit in the cavity of the resonator of mechanical vibrations, and the wall of the resonator of mechanical vibrations is made with cuts forming a system of rods, and the inertial masses are fixed on the corresponding rods of the resonator of mechanical vibrations in the antinode of its displacements, and zhny mechanical vibrations of the resonator element is configured to be coupled to the excitable element or to a source of mechanical vibrations.

При этом преобразующий элемент может быть выполнен в виде пьезоэлемента, магнитостриктора или диссипативного поглотителя механических колебаний. In this case, the converting element can be made in the form of a piezoelectric element, magnetostrictor, or dissipative absorber of mechanical vibrations.

Крепежный элемент резонатора механических колебаний может быть расположен со стороны внешней или внутренней поверхности резонатора механических колебаний. The fastener of the mechanical vibration resonator may be located on the side of the external or internal surface of the mechanical vibration resonator.

Преобразующий элемент и крепежный элемент резонатора механических колебаний могут быть расположены по разные стороны или по одну сторону от плоскости поперечного сечения резонатора механических колебаний, проходящей через его собственный узел механических смещений. The converting element and the fastening element of the resonator of mechanical vibrations can be located on different sides or on the same side of the plane of the cross section of the resonator of mechanical vibrations passing through its own site of mechanical displacements.

Для возбуждения изгибных колебаний стержня центр инерции инерционной массы может быть расположен на продольной оси стержня резонатора механических колебаний. To excite bending vibrations of the rod, the center of inertia of the inertial mass can be located on the longitudinal axis of the rod of the resonator of mechanical vibrations.

Кроме того, для одновременного возбуждения изгибных и крутильных колебаний стержня центр инерции инерционной массы может быть смещен относительно продольной оси стержня резонатора механических колебаний. In addition, to simultaneously excite bending and torsional vibrations of the rod, the center of inertia of the inertial mass can be shifted relative to the longitudinal axis of the rod of the resonator of mechanical vibrations.

На фиг. 1 схематически изображено устройство для преобразования энергии колебаний, в котором крепежный элемент резонатора механических колебаний расположен со стороны внешней поверхности резонатора механических колебаний, а преобразующий элемент и крепежный элемент резонатора механических колебаний расположены по разные стороны от плоскости поперечного сечения резонатора механических колебаний, проходящей через его собственный узел механических смещений. In FIG. 1 schematically shows a device for converting vibrational energy, in which the fastening element of the mechanical vibration resonator is located on the side of the external surface of the mechanical vibration resonator, and the converting element and the fastening element of the mechanical vibration resonator are located on different sides of the cross-section plane of the mechanical vibration resonator passing through its own node of mechanical displacements.

На фиг. 2 показан вариант устройства для преобразования энергии колебаний, в котором крепежный элемент резонатора механических колебаний расположен со стороны внутренней поверхности резонатора механических колебаний, а преобразующий элемент и крепежный элемент резонатора механических колебаний расположен по одну сторону от плоскости поперечного сечения резонатора механических колебаний, проходящей через собственный узел механических смещений. In FIG. 2 shows a variant of a device for converting vibrational energy, in which the fastening element of the mechanical vibration resonator is located on the side of the internal surface of the mechanical vibration resonator, and the converting element and the fastening element of the mechanical vibration resonator is located on one side of the cross-section plane of the mechanical vibration resonator passing through its own unit mechanical displacements.

На фиг. 3 показаны варианты размещения центра инерции инерционной массы относительно продольной оси стержня резонатора механических колебаний. In FIG. Figure 3 shows the placement of the center of inertia of the inertial mass relative to the longitudinal axis of the resonator rod of mechanical vibrations.

На фиг. 4 показан вариант устройства для преобразования энергии колебаний, в резонаторе механических колебаний которого возбуждаются одновременно изгибные и крутильные колебания стержней. In FIG. 4 shows a variant of a device for converting vibrational energy, in the resonator of mechanical vibrations of which both bending and torsional vibrations of the rods are excited.

Устройство содержит (фиг. 1) резонатор 1 механических колебаний с полостью 2 и крепежным элементом 3 резонатора 1 механических колебаний. В полости 2 с натягом закреплен преобразующий элемент 4. Натяг обеспечивается выбором размеров полости, преобразующего элемента и упругой статической деформацией контактирующих деталей. Стенка резонатора 1 механических колебаний выполнена с разрезами 5, которые образуют систему стержней 6. Стержни 6 резонатора 1 механических колебаний снабжены инерционными массами 7, размещенными в области пучности смещений резонатора 1 механических колебаний. Крепежный элемент 3 резонатора 1 механических колебаний выполнен с возможностью соединения с возбуждаемым элементом или с источником механических колебаний, что эквивалентно, поскольку каждое из перечисленных соединений обуславливает появление силы F (фиг. 1) или (и) момента М1 (фиг. 4), приложенных к крепежному элементу 3. The device contains (Fig. 1) aresonator 1 of mechanical vibrations with acavity 2 and afastener 3 of theresonator 1 of mechanical vibrations. In thecavity 2 with an interference fit, a convertingelement 4. An interference fit is provided by the choice of the dimensions of the cavity, the converting element and the elastic static deformation of the contacting parts. The wall of theresonator 1 of mechanical vibrations is made withcuts 5 that form a system ofrods 6. Therods 6 of theresonator 1 of mechanical vibrations are provided withinertial masses 7 located in the antinode displacement region of theresonator 1 of mechanical vibrations. Thefastening element 3 of theresonator 1 of mechanical vibrations is made with the possibility of connection with the excited element or with a source of mechanical vibrations, which is equivalent, since each of the above compounds causes the appearance of a force F (Fig. 1) or (and) moment M1 (Fig. 4), applied to thefastener 3.

Предложенная форма выполнения резонатора механических колебаний позволяет, с одной стороны, более равномерно и механически сильнее нагрузить преобразующий элемент, что приводит к увеличению коэффициента связи между преобразующим элементом и резонатором, с другой стороны, с помощью разрезов устраняются тангенциальные механические напряжения в стенке резонатора, что приводит к увеличению изгибающих моментов М (фиг. 1), действующих на отдельный стержень стенки резонатора. Снабжение стержней инерционными массами также увеличивает изгибающий момент М, амплитуду колебаний f (фиг. 1) стержней на низких частотах, а следовательно, и количество преобразованной энергии колебаний на низких частотах. The proposed embodiment of the mechanical vibration resonator allows, on the one hand, to load the converting element more uniformly and mechanically stronger, which leads to an increase in the coupling coefficient between the converting element and the resonator, on the other hand, by means of cuts, tangential mechanical stresses in the resonator wall are eliminated, which leads to increase the bending moments M (Fig. 1) acting on a separate rod of the cavity wall. The supply of rods with inertial masses also increases the bending moment M, the oscillation amplitude f (Fig. 1) of the rods at low frequencies, and therefore the amount of converted vibration energy at low frequencies.

Преобразующий элемент 4 может быть выполнен в виде пьезоэлемента, магнитостриктора или диссипативного поглотителя механических колебаний. The convertingelement 4 can be made in the form of a piezoelectric element, magnetostrictor, or dissipative absorber of mechanical vibrations.

Крепежный элемент 3 резонатора 1 механических колебаний может быть расположен со стороны внешней (фиг. 1) или внутренней (фиг. 2) поверхности резонатора 1 механических колебаний. Thefastening element 3 of theresonator 1 of mechanical vibrations can be located on the side of the external (Fig. 1) or internal (Fig. 2) surface of theresonator 1 of mechanical vibrations.

Преобразующий элемент 4 и крепежный элемент 3 могут быть расположены по разные стороны (фиг. 1) или по одну сторону (фиг. 2) от плоскости поперечного сечения ВВ резонатора 1 механических колебаний, проходящей через его собственный узел механических смещений. The convertingelement 4 and thefastening element 3 can be located on different sides (Fig. 1) or on one side (Fig. 2) from the plane of the cross section BB of theresonator 1 of mechanical vibrations passing through its own site of mechanical displacements.

Центр 8 инерции инерционной массы 7 может быть расположен как на продольной оси 0'0' стержня 6, так и быть смещен относительно продольной оси 0'0' стержня 6 (фиг. 3). The center ofinertia 8 of theinertial mass 7 can be located both on the longitudinal axis 0'0 'of therod 6, and can be offset relative to the longitudinal axis 0'0' of the rod 6 (Fig. 3).

В резонаторе 1 механических колебаний могут возбуждаться как изгибные (фиг. 1), так и изгибно-крутильные (фиг. 4) колебания стержней 6. Стрелки c и d на фиг. 4 указывают направления изгибно-крутильных колебаний стержней 6. In theresonator 1 of mechanical vibrations, both bending (Fig. 1) and bending-torsional (Fig. 4) vibrations of the rods can be excited 6. Arrows c and d in FIG. 4 indicate the directions of the bending-torsional vibrations of therods 6.

Резонатор 1 механических колебаний может быть выполнен из любого твердого материала с малым поглощением звука и иметь расположение стержней 6 в рядной (фиг. 1), осесимметричной или другой форме. Соответственно поперечное сечение полости 2 может быть в плане прямоугольным, круглым или другой формы. Theresonator 1 of mechanical vibrations can be made of any solid material with low sound absorption and have the location of therods 6 in a row (Fig. 1), axisymmetric or other form. Accordingly, the cross section of thecavity 2 may be in the plan rectangular, round or other shape.

Крепежный элемент 3 может быть выполнен в виде пластины (фиг. 1), сплошного или полого стержня (фиг. 2) прямоугольного, круглого или любого другого сечения. Thefastening element 3 can be made in the form of a plate (Fig. 1), a solid or hollow rod (Fig. 2) of a rectangular, round or any other section.

Преобразующий элемент 4 может быть выполнен в виде пластины, стержня, пакета пластин или набора стержней, в виде одного общего для всех стержней 6 элемента (фиг. 1) или отдельных секций (фиг. 4). Отдельные секции преобразующего элемента 4 могут быть закреплены между стержнями 6 (фиг. 4) или между крепежным элементом 3 и одним из стержней 6. Преобразующий элемент 4 может быть закреплен в полости 2 как перпендикулярно оси 00 резонатора 1 механических колебаний (фиг. 1), так и параллельно оси 00 (фиг. 2), для чего на крепежном элементе 3 могут быть выполнены специальные выступы 9 (фиг. 2). The convertingelement 4 can be made in the form of a plate, a rod, a package of plates or a set of rods, in the form of one element common to all rods 6 (Fig. 1) or in separate sections (Fig. 4). Separate sections of the convertingelement 4 can be fixed between the rods 6 (Fig. 4) or between thefastening element 3 and one of therods 6. The convertingelement 4 can be fixed in thecavity 2 as perpendicular to theaxis 00 of theresonator 1 mechanical vibrations (Fig. 1), and parallel to axis 00 (FIG. 2), for which purpose special protrusions 9 (FIG. 2) can be made on thefastening element 3.

Разрезы 5 стенки резонатора механических колебаний 1 могут быть выполнены как параллельно продольной оси резонатора 00 (фиг. 1), так и под углом к ней, и иметь искривленную или фигурную форму. Thecuts 5 of the wall of the resonator ofmechanical vibrations 1 can be made both parallel to the longitudinal axis of the resonator 00 (Fig. 1), and at an angle to it, and have a curved or curved shape.

Стержни 6 резонатора 1 механических колебаний могут быть прямолинейными или искривленными вдоль своей продольной оси, сплошными или трубчатыми, а в сечении иметь прямоугольную, круглую или любую другую форму. Therods 6 of theresonator 1 of mechanical vibrations can be straight or curved along its longitudinal axis, solid or tubular, and in cross section have a rectangular, round or any other shape.

Резонатор 1 механических колебаний, его крепежный элемент 3, стержни 6 и инерционные массы 7 могут быть выполнены как за одно целое, так и в виде отдельных соединенных между собой деталей. Theresonator 1 of mechanical vibrations, itsfastening element 3,rods 6 andinertial mass 7 can be made as one piece, or in the form of separate interconnected parts.

Устройство работает следующим образом. В режиме преобразования энергии электрических колебаний при подаче на преобразующий элемент 4 (пьезоэлемент или магнитостриктор) электрического напряжения (см. фиг. 1) в преобразующем элементе 4 возникают механические колебания, которые через акустический контакт, обеспеченный натягом преобразующего элемента 4, передаются в резонатор 1 механических колебаний. При совпадении частоты электрического напряжения с собственной частотой резонатора 1 механических колебаний в последнем возбуждаются изгибные колебания стержней 6. При этом смещениям f стержней 6 соответствуют изгибающие моменты М и сила F, действующая со стороны крепежного элемента 3 на возбуждаемый элемент. При возбуждении в резонаторе 1 изгибно-крутильных колебаний стержней 6 (фиг. 4) на крепежном элементе 3 дополнительно к силе F возникает крутящий момент M₁ относительно оси 00 резонатора 1 механических колебаний, который тоже передается на возбуждаемый элемент.The device operates as follows. In the mode of converting the energy of electrical vibrations when a voltage is applied to the transducer element 4 (piezoelectric element or magnetostrictor) (see Fig. 1), mechanical vibrations occur in thetransducer 4, which are transmitted through the acoustic contact provided by the interference of thetransducer 4 to themechanical resonator 1 fluctuations. When the frequency of the electric voltage coincides with the natural frequency of theresonator 1 of the mechanical vibrations, the bending vibrations of therods 6 are excited in the latter. At the same time, the displacements f of therods 6 correspond to bending moments M and the force F acting on the side of thefastening element 3 on the excited element. When excited in theresonator 1 of the bending-torsional vibrations of the rods 6 (Fig. 4) on thefastening element 3, in addition to the force F, a torque M₁ relative to theaxis 00 of theresonator 1 of mechanical vibrations arises, which is also transmitted to the excited element.

В режиме преобразования энергии механических колебаний колебания источника механических колебаний через крепежный элемент 3 возбуждают резонатор 1 механических колебаний силой F (фиг. 1) или (и) крутящим моментом М₁ относительно оси 00 (фиг. 4). В результате воздействия силы F или (и) крутящего момента М₁ стержни 6 резонатора 1 механических колебаний совершают изгибные (фиг. 1) или изгибно-крутильные (фиг. 4) колебания, которые резонатором 1 механических колебаний трансформируются в продольные колебания преобразующего элемента 4. При совпадении частоты механических колебаний источника с собственной частотой резонатора 1 механических колебаний механические напряжения в преобразующем элементе 4 достигают максимальной величины, а энергия механических колебаний источника преобразуется преобразующим элементом 4 в электрическую энергию, если преобразующий элемент 4 выполнен в виде пьезоэлемента или магнитостриктора, или в тепловую энергию, если преобразующий элемент 4 выполнен в виде диссипативного поглотителя механических колебаний.In the mode of energy conversion of mechanical vibrations, the vibrations of the source of mechanical vibrations through thefastener 3 excite theresonator 1 of mechanical vibrations with a force F (Fig. 1) or (and) a torque M₁ relative to axis 00 (Fig. 4). As a result of the action of the force F or (and) torque M_{1, the}rods 6 of theresonator 1 of mechanical vibrations perform bending (Fig. 1) or bending-torsional (Fig. 4) vibrations, which are converted by theresonator 1 of the mechanical vibrations into longitudinal vibrations of the convertingelement 4. When the frequency of the mechanical vibrations of the source coincides with the natural frequency of theresonator 1 of the mechanical vibrations, the mechanical stresses in the convertingelement 4 reach a maximum value, and the energy of the mechanical vibrations of the source is transformedXia conversion element 4 into electrical energy, if theconversion element 4 is formed as a piezoelectric element or a magnetostrictor, or thermal energy, if theconversion element 4 is designed as a dissipative absorber mechanical vibrations.

При этом из-за уменьшения изгибной жесткости стенки резонатора 1 механических колебаний и увеличения инерционной массы, колеблющейся в пучности смещений резонатора 1 механических колебаний, увеличивается количество преобразованной энергии колебаний на низких частотах. Moreover, due to a decrease in the bending stiffness of the wall of theresonator 1 of mechanical vibrations and an increase in inertial mass oscillating in the antinode of the displacements of theresonator 1 of mechanical vibrations, the amount of converted vibrational energy at low frequencies increases.

Claims (7)

Translated fromRussian

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ КОЛЕБАНИЙ, содержащее криволинейный резонатор механических колебаний с полостью и крепежным элементом, преобразующий элемент, закрепленный с натягом в полости резонатора механических колебаний, отличающееся тем, что в него введены инерционные массы, а стенка резонатора механических колеаний выполнена с разрезами, образующими систему стержней, причем инерционные массы закреплены на соответствующих стержнях резонатора механических колебаний в пучности его смещений, а крепежный элемент резонатора мехавнических колебаний выполнен с возможностью соединения с возбуждаемым или источником механических колебаний. 1. A DEVICE FOR TRANSFORMING ENERGY OF OSCILLATIONS, containing a curved resonator of mechanical vibrations with a cavity and a fastening element, a converting element fixed with an interference fit in the cavity of the resonator of mechanical vibrations, characterized in that inertial masses are introduced into it, and the wall of the resonator of mechanical vibrations is made with cuts, forming a system of rods, and the inertial masses are fixed on the corresponding rods of the resonator of mechanical vibrations at the antinode of its displacements, and the fastener is resonant pa mehavnicheskih oscillations is connectable with a source of excited or mechanical vibrations. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразующий элемент выполнен в виде магнитостриктора. 2. The device according to claim 1, characterized in that the converting element is made in the form of a magnetostrictor. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразующий элемент выполнен в виде диссипативного поглотителя механических колебаний. 3. The device according to claim 1, characterized in that the converting element is made in the form of a dissipative absorber of mechanical vibrations. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что крепежный элемент резонатора механических колебаний расположен со стороны внешней поверхности резонатора механических колебаний. 4. The device according to claim 1, characterized in that the fastening element of the resonator of mechanical vibrations is located on the side of the outer surface of the resonator of mechanical vibrations. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что преобразующий элемент и крепежный элемент резонатора механических колебаний расположены по одну сторону от плоскости поперечного сечения резонатора механических колебаний, проходящей через его собственный узел механических смещений. 5. The device according to p. 1, characterized in that the converting element and the fastening element of the resonator of mechanical vibrations are located on one side of the plane of the cross section of the resonator of mechanical vibrations passing through its own node of mechanical displacements. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центр инерции инерционной массы расположен на продольной оси стержня резанатора механических колебаний. 6. The device according to claim 1, characterized in that the center of inertia of the inertial mass is located on the longitudinal axis of the rod of the resonator of mechanical vibrations. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центр инерции инерционной массы смещен относительно продольной оси стержня резонатора механических колебаний. 7. The device according to claim 1, characterized in that the center of inertia of the inertial mass is offset relative to the longitudinal axis of the rod of the resonator of mechanical vibrations.

Images