ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАЯКА-ОТВЕТЧИКА Российский патент 1995 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к маякам-ответчикам (МО) станций наведения судов, станций звукоподводной связи или другим приемоизлучающим гидроакустическим системам подобного назначения.

Конструкция МО представляет собой малогабаритную гидроакустическую (ГА) станцию переносного типа, работающую в режимах приема и излучения ответных сигналов.

Преобразователи МО должны работать, как правило, в диапазоне рабочих частот 15-40 кГц при гидростатических давлениях от 0 до 10 МПа. При этом для повышения помехоустойчивости при работе вблизи дна либо корпуса судна его работа должна вестись в полупространство в углах обзора θ=± (50-90^о) от вертикали. Кроме того, при частых подъемах изделий на поверхность, а также при включении аппаратуры перед сбрасыванием в воду возникает ситуация, когда преобразователь все же принимает запросный сигнал и излучает ответный, находясь в воздухе либо на границе вода-воздух.

В качестве преобразователей маяка-ответчика могут быть использованы сферический, цилиндрический, стержневой преобразователи.

Известен преобразователь сферической конструкции, армированный слоем никеля, нанесенного методом электроосаждения, с разделенными электродами и соединенными для повышения чувствительности последовательно [1]
Такие преобразователи широкополосны, имеют равномерную в пространстве широкую характеристику направленности, однако, для повышения помехоустойчивости при работе вблизи звукоотражающих объектов они требуют применения толстостенных звукопоглощающих экранов, что существенно усложняет конструкцию.

Известна конструкция, состоящая из двух ненаправленных элементов, отстоящих один от другого на расстоянии λ/4 и обеспечивающая формирование характеристики направленности типа "Кардиоида".

Такая конструкция имеет повышенную помехоустойчивость. Однако при этом требуется создание двухканального тракта обработки сигнала в режиме приема и излучения, что существенно усложняет конструкцию.

По технической сущности наиболее близким техническим решением является сферический преобразователь [2] Он представляет собой сферический элемент из пьезокерамики, на активную поверхность которого нанесен армирующий слой. Слой выполнен из никеля и нанесен методом электроосаждения в хлоридной ванне, благодаря чему создается значительное механическое упрочнение.

Недостатками такой конструкции являются большие технологические и технические трудности, связанные с необходимостью в процессе армирования никелированием осуществлять сжатие активного материала, находящегося в хлоридной ванне, большим постоянным электрическим напряжением; использование сферического преобразователя неэффективно, так как приводит к снижению помехоустойчивости и необходимости использования тыльной экранировки, что существенно увеличивает весо-габаритные параметры при работе на глубинах более 150 м; при работе с таким преобразователем при гидростатическом давлении, равном нулю (при всплытии изделия), его активное сопротивление близко к нулю, так как слой никеля практически не изменяет величины активного сопротивления, что приводит к выходу из строя генераторного устройства и самого преобразователя и требует введения специальной защиты, существенно снижающей надежность изделия.

Цель изобретения создание приемоизлучающего преобразователя, способного эффективно работать в полупространстве без использования тыльного экранирования. При этом электрическое сопротивление преобразователя не должно существенно меняться при изменении среды излучения от воды до воздуха и приводить к выходу из строя преобразователя и усилителя мощности станции при всплытии системы.

Для этого в преобразователе маяка-ответчика, содержащем пьезокерамический элемент сферической формы с герметизирующим слоем на активной поверхности, пьезокерамический элемент имеет форму полусферы диаметром D (1,3-1,9) λ_c, где λ_c длина волны в воде на средней частоте рабочего диапазона, и снабжен плоским жестким основанием, которое герметично соединено с полусферой по наружному диаметру через механическую развязку, а по центру стяжкой с ее полюсом. Слой на активной поверхности выполнен из материала с акустическим сопротивлением (ρ_c)_сл (1,6-2)˙ 10⁶ кг/м² и толщиной δ (2n+1) где n 0, 1, 2.

При этом происходит нагрузка преобразователя на указанный слой акустически податливого материала, благодаря чему изменение акустического сопротивления среды излучения не приводит к заметному изменению электрического сопротивления, а следовательно, и механической прочности преобразователя.

Выполнение сферического пульсирующего преобразователя в виде полусферы исключает его работу в тыльном полупространстве (в области средних и высоких частот). Благодаря этому отпадает необходимость в создании дорогостоящего и трудоемкого для работ при больших гидродавлениях экрана.

На фиг. 1 представлена конструкция преобразователя; на фиг. 2 характеристика направленности преобразователя на различных частотах; на фиг. 3 частотные зависимости активного сопротивления преобразователя в воде и воздухе, а также его коэффициент полезного действия (КПД).

Преобразователь содержит активный элемент 1 из пьезокерамики состава ЦТБС-3, выполненный в виде полусферы наружным диаметром 80 мм, толщиной 5 мм, с отверстием малого диаметра (d 10 мм) в полюсе, практически не влияющем на электроакустические параметры преобразователя.

С тыльной стороны полусфера загерметизирована плоским металлическим основанием-корпусом 2, механически и электрически развязанным от активного элемента резиновой 3 и стеклотекстолитовой 4 прокладками толщиной по 2 мм каждая.

Крепление активного элемента на корпусе осуществляется шпилькой-стяжкой 5, изготовленной из стеклотекстолита (6 мм) и вклеенной в отверстие полюса полусферы для повышения механической прочности.

Согласующие и герметизирующие функции при работе в воде и воздухе выполняет слой резины 6 марки С-572, нанесенный на наружную поверхность преобразователя методом вулканизации. Толщина слоя резины равна четверти длины волны в резине на частоте механического резонанса преобразователя и составляет в нашем случае 15 мм.

Работа гидроакустического преобразователя основана на использовании низшей моды пульсирующих (радиальных) колебаний сферической оболочки, замкнутой на одном полюсе и открытой на другом, на частотах вблизи частоты механического резонанса этих колебаний, определяемого по формуле:
f Ω_i где С скорость звука в активном материале, м/с;
D средний диаметр сферической оболочки (полусферы) М;
Ω_i- безразмерный частотный параметр, зависящий от угла раскрыва сферической оболочки, моды колебаний и равный (при угле раскрыва 180^о) 2,1.

При этом ширина характеристики направленности (Δθ) определяется углом раскрыва полусферы Φ_o (Δθ 0,7φ_o) распределением амплитуды и фазы колебаний наружной поверхности.

Ширина характеристики направленности преобразователя (см.фиг.2) по уровню сигнала 8 дБ (такая неравномерность является общепринятой для слабонаправленных систем) составляет на частоте 20 кГц 130^о, на частоте 27,5 кГц 150^о, на частоте 35 кГц 160^о, что соответствует требованиям, предъявляемым к преобразователям маяков-ответчиков.

Для создания условий, предотвращающих выход из строя активного элемента акустического блока и генераторного устройства при всплытии изделия и работе в условиях чередующихся нагрузок вода-воздух, на излучающую поверх- ность полусферы нанесен согласующий слой толщиной δ (2n+1) где n 0,1,2. с акустическим сопротивлением (ρc)_сл (1,6-2,0)˙ 10⁶кг/м² с в нашем случае из резины марки С-572 (ρc )= 1,7˙10⁶ кг/м² с.

При этом активное сопротивление преобразователя при его работе в воздухе существенно увеличивается и приближается (а на ряде частот и превосходит) активное сопротивление акустического блока в воде, что приводит к стабилизации колебательной скорости и механического напряжения преобразователя.

Активное сопротивление преобразователя (см.фиг.3), работающего в воздухе в рабочем диапазоне частот, приближается к его активному сопротивлению в воде. При этом величина его КПД (в воде) возрастает до 80-90% (у преобразователя без согласующего слоя КПД 60%).

Эффективная работа преобразователя осуществляется в области частот от 20 до 35 кГц. Частота механического резонанса колебательной системы полусферы ⊘ 80 мм (ЦТБС-3) составляет 27 кГц. При этом ее диаметр D 1,56 в воде, что соответствует условию, заложенному в формуле D (1,3-1,9) λ_c, которое определяет положение частоты резонанса полусферы вблизи средней частоты рабочего диапазона.

Таким образом, разработанный преобразователь обладает простой конструкцией, малыми размерами и массой и превосходит по эффективности известные типы преобразователей, работающие в широком диапазоне частот при малой направленности в пространстве.

Использование: в гидроакустике. Сущность изобретения: армирующий слой, нанесенный на пьезокерамический элемент, выполнен из акустически податливого материала, благодаря чему изменение акустического сопротивления среды излучения не приводит к заметному изменению электрического сопротивления и, следовательно, механической прочности преобразователя. 3 ил.

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАЯКА-ОТВЕТЧИКА, содержащий пьезокерамический элемент сферической формы с герметизирующим слоем на активной поверхности, отличающийся тем, что пьезокерамический элемент имеет форму полусферы с диаметром D = (1,3-1,9)λ_с, где λ_с длина волны в воде на средней частоте рабочего диапазона, снабжен плоским жестким основанием, герметично соединенным с полусферой по наружному диаметру через механическую развязку, а по центру стяжкой с ее полюсом, при этом герметизирующий слой выполнен из материала с (ρC)_сл= (1,6-2)·10⁶ кг/м²· c², толщиной (2n+1) λ_сл/4 где
акустическое сопротивление, ρ_сл плотность, C_сл скорость звука, λ_сл длина волны на резонансной частоте преобразователя в материале слоя соответственно.