ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ АНТЕННЫ Российский патент 1998 года по МПК H04R1/44 H04R17/00 

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности низкочастотных стержневых пьезокерамических преобразователей.

Стержневые преобразователи с пассивными накладками широко применяются в гидроакустике для работы в режимах приема и излучения на средних и низких частотах (см. Справочник по гидроакустике. Л., 1988, с. 268).

Известны конструкции стержневых преобразователей, предназначенные для работы на двух разных частотах, например, в патенте N 2570915, Франция, 1982 г. для этого используются первая и третья гармоники механической колебательной системы, причем третья гармоника совмещена с изгибным резонансом передней накладки преобразователя.

В патенте США 4.633.119 с приоритетом от 1986 г. пьезоэлемент преобразователя разделен на две части пассивной металлической вставкой, вследствие чего образуется механическая система с двумя резонансами.

В авторском свидетельстве СССР 1745093 с приоритетом от 1990 г. рассматривается преобразователь, стержневой пьезоэлемент которого состоит из двух частей, имеющих различную площадь поперечного сечения, что также позволяет получить два резонанса.

Все перечисленные выше преобразователи предназначены для использования в многоэлементных антеннах и передняя накладка у них имеет сложную форму с квадратной передней рабочей поверхностью - для повышения коэффициента использования поверхности антенны и круглой задней поверхностью меньшей площади, примыкающей к пьезокерамическому стержневому элементу, составленному из осесимметричных шайб.

Накладка такой формы сложна в изготовлении и мало технологична. Особую сложность вызывает создание герметичного соединения этой накладки с цилиндрическим корпусом преобразователя, обеспечивающего одновременно акустическую развязку передней накладки от корпуса (или от тыльной накладки, если она играет роль корпуса). Так как многоэлементная антенна содержит обычно большое число отдельных преобразователей, то сложность технологии их изготовления является существенным недостатком рассмотренных конструкций. Вторым недостатком этих преобразователей является плохое согласование со средой, в которую излучается акустическая энергия, в силу большого различия волнового сопротивления среды и импенданса преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь по патенту США 3281.770, имеющий стержневой пьезоэлемент, массивную тыльную накладку и круглую переднюю накладку, заключенные в цилиндрический корпус, образующий у передней накладки жидкостно-заполненную полость, которая позволяет создать второй резонанс и дополнительно осуществляет согласование преобразователя со средой.

Как показали опыты, такой преобразователь при работе в многоэлементной антенне обладает недостаточной эффективностью в режиме излучения и большой неравномерностью частотной характеристики за счет глубокого провала между двумя резонансами, по причине малого сопротивления излучения, вследствие чего он не нашел широкого практического применения, несмотря на простоту и технологичность конструкции.

Физически это объясняется тем, что отдельные преобразователи многоэлементной антенны в этом случае работают как бы без экрана или, вернее, в низкоимпедансном экране, что при малых волновых размерах излучающей поверхности этих преобразователей (определяемых условием минимизации добавочных максимумов при сканировании характеристики направленности на самых верхних частотах рабочего диапазона) приводит к существенному уменьшению сопротивления излучения (нагрузки) преобразователя и, соответственно, к снижению его эффективности и широкополосности. Так, например, для круглого поршня диаметром D при D/λ = 0,2-0,3 отношение активной составляющей сопротивления излучения для поршня в экране к аналогичному сопротивлению для поршня без экрана равно 2 - 1,8 (см. Расчетные графики и таблицы по электроакустике. В.К.Иоффе и А. А. Янпольский. МЛ, 1954, с. 275, 281). Примерно пропорционально, т.е. ≈ в 2 раза увеличиваются КПД и ширина полосы преобразователя.

Задачей настоящего изобретения является создание широкополосного двухрезонансного низкочастотного преобразователя, технологичного в изготовлении и обладающего повышенной эффективностью и уменьшенной неравномерностью частотной характеристики при работе в составе многоэлементной антенны.

Для решения поставленной задачи в известном гидроакустическом преобразователе, содержащем пьезокерамический элемент, заключенный между двумя металлическими накладками, и герметичный корпус, образующий перед передней накладкой жидкостно-заполненную цилиндрическую полость, введены новые признаки, а именно: передняя часть корпуса снабжена жестким фланцем, имеющим поперечное сечение в виде квадрата с круговым отверстием, диаметр которого равен внутреннему диаметру жидкостно-заполненной цилиндрической полости.

Для оптимизации конструкции целесообразно выбрать следующие соотношения размеров для вводимых элементов:
сторона фланца L = 0,4 - 0,48 λ_в, где λ_в - длина волны звука в воде на верхней частоте рабочего диапазона,
минимальная толщина стенки фланца b = (L-D):2 = 0,9 - 0,11D, D - диаметр полости.

Высота фланца t ≥ 1,1•10^-2λ(м)в

, где λ(м)в - длина волны звука в материале фланца на верхней частоте рабочего диапазона,
глубина полости H лежит в пределах
0,2λ(ж)в≤ H ≤ 0,2λ(ж)cp,
где
λ(ж)в и λ(ж)cp - длины волн звука в жидкости, заполняющей полость, на верхней и средней частотах рабочего диапазона соответственно.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в следующем: при работе предлагаемого преобразователя в многоэлементной антенне он занимает "окно" (часть рабочей поверхности антенны), площадь которого определяется размером (D+2b+δ)², где δ - зазор между соседними преобразователями, который выбирается минимально-возможным, обеспечивающим технологическую возможность сборки преобразователей в антенну.

Выходные отверстия жидкостно-заполненных полостей преобразователей при этом расположены в окружении жесткого экрана, образованного фланцами отдельных преобразователей, что и обеспечивает увеличение активной составляющей сопротивления излучения, а соответственно, и коэффициента полезного действия, а также уменьшение неравномерности частотной характеристики преобразователя и антенны в целом.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена примерная конструкция предлагаемого преобразователя. Преобразователь содержит стержневой пьезоэлемент 1, заключенный между тыльной 2 и передней 3 накладками и армированный стальной стяжкой 4, и герметичный стальной корпус 5, образующий у передней накладки 3 цилиндрическую жидкостно-заполненную полость 6, причем передняя часть корпуса выполнена в виде квадратного фланца 7 со стороной L и с цилиндрическим отверстием диаметром D. Глубина полости H, минимальная толщина стенки фланца b и высота фланца t. В полости, проходящей через центр тяжести преобразователя, размещен фланец 8 с отверстиями для крепления преобразователя к основанию антенны. Этот фланец конструктивно может быть совмещен с передним фланцем 7 корпуса, что показано на чертеже пунктирной линией. Элементы колебательной системы соединены с корпусом через кольцевые герметичные развязки 9.

В случае заполнения корпуса маслом (для работы при высоких давлениях) необходимо использовать компенсатор изменения масляного объема 10. Полость 6 также может быть заполнена маслом, в этом случае предусматривается резиновая мембрана 11, которая может отсутствовать при заполнении полости забортной водой.

Работа преобразователя осуществляется следующим образом: в режиме излучения электрический сигнал подается на электроды пьезоэлемента 1, в результате чего возбуждаются механические колебания передней накладки 3, которые трансформируются слоем жидкости, заключенным в полости 6, и передаются в окружающую среду через герметизирующую оболочку 11, создавая полезный акустический сигнал.

В режиме приема акустическое давление, распространяющееся в среде, воздействует через оболочку 11 и слой жидкости в полости 6 на переднюю накладку 3 и вызывает механические напряжения в пьезоэлементе 1, которые в силу прямого пьезоэффекта преобразуются в электрический сигнал на его электродах, который и передается на приемную аппаратуру через кабель 12.

Для оптимизации работы преобразователя в составе многоэлементной антенны в заданном диапазоне частот помимо обычных требований к размерам механической колебательной системы преобразователя, которые обеспечивают резонанс ее колебаний на средней частоте диапазона f_ср, необходимо обеспечить определенные соотношения между размерами жидкостно-заполненной полости 6 D и H, размерами фланца 7 L, b и t и длиной звуковой волны в жидкости, заполняющей полость λ^(ж), в воде λ и в материале фланца λ^(м) на определенных частотах рабочего диапазона.

Для обеспечения отсутствия дополнительных максимумов, равных основному, при сканировании характеристики направленности на верхней частоте диапазона
f_в(L+δ) должна быть < λ_в/2.
Однако излишнее уменьшение L/λ_в нежелательно из-за роста числа каналов и появления сильного взаимодействия между преобразователями на нижних частотах диапазона.

С учетом технологического зазора между преобразователями δ целесообразно принять
L = 0,4-0,48λ_в, (1)
Минимальная толщина фланца b определяет предельную толщину стенки цилиндрической полосы и поэтому ее размер не должен быть слишком малым, чтобы жесткость стенок полости в радиальном направлении была достаточной и не шунтировала основных продольных колебаний. С другой стороны, размер b при заданном L определяет внутренний диаметр полости D, т.к. D = L - 2b. В этом плане излишнее увеличение b нежелательно, т.к. приводит к уменьшению отношения площади излучающей поверхности полости (и передней накладки) к площади окна, занимаемого преобразователем на рабочей поверхности антенны
S_окна= (L+δ)².
Расчеты и опыты показывают, что оптимальным является соотношение S_изл/S_окна, близкое к 0,5, при этом безразмерные коэффициенты при активной и реактивной составляющих сопротивления излучения в среду для отдельного преобразователя α и β становятся равными и близкими к 0,5, что обеспечивает получение на частотной характеристике излучаемой мощности 2-х максимумов примерно одинаковой величины и максимальную ширину полосы при минимальной неравномерности частотной характеристики.

S_изл/S_окна = 0,5 соответствует соотношению b = 0,1D, поэтому практически следует выполнять условие
b = 0,09-0,11D.

Приведенные выше значения α = β = 0,5, оптимальные для формирования частотной характеристики, обеспечиваются лишь при размещении выходного излучающего отверстия полости в абсолютно жестком экране. Для реализации этого условия квадратный фланец, окружающий полость, должен обладать достаточной жесткостью, которая зависит от высоты фланца t. Поскольку фланец выполнен за одно целое с корпусом преобразователя (с полостью), то наиболее податливой частью его, обладающей наименьшей жесткостью, является консольно закрепленный к стенке корпуса угол фланца, способный совершать под действием поля изгибные колебания. Достаточным условием для обеспечения требуемой жесткости является вынесение вверх за границы рабочего частотного диапазона резонансной частоты изгибных колебаний этого фрагмента фланца f_изг.

Положив, что f_изг≥2f_в, получим следующее соотношение для t:
t ≥ 1,1•10^-2λ(м)в

, (3)
где
λ(м)в - длина волны звука в материале фланца на верхней частоте диапазона f_в.

Максимальная толщина фланца ограничена только соображениями минимизации веса и удобства крепления преобразователя в антенне, и при отсутствии жестких требований к весу размер t может быть продлен до центра тяжести преобразователя и тогда фланец 7 совмещается с крепежным фланцем 8.

Таким образом, выбрав указанным образом размеры L, b и t, мы определяем оптимальные условия для формирования частотной характеристики и характеристики направленности преобразователя при работе его в многоэлементной антенне.

При этом остается возможность влияния на форму частотной характеристики путем изменения (выбора) глубины полости H. Обычно (и в прототипе) рекомендуется выбирать глубину полости из условия равенства ее четверти длины волны звука в жидкости, заполняющей полость, на средней частоте рабочего диапазона f_ср, т. е. H = 0,25λ(ж)cp

. При этом обеспечивается ширина рабочего диапазона порядка одной октавы.

Расчеты и эксперименты показывают, что изменение глубины полости H позволяет расширить рабочий диапазон до 1,5 и более октав, перемещая вторую резонансную частоту вверх и практически не меняя положения первой (нижней) резонансной частоты преобразователя.

С учетом этого, а также с учетом влияния реактивной составляющей сопротивления излучения размер H целесообразно выбирать в следующих пределах:
0,2λ(ж)в

≤ H ≤ 0,2λ(ж)cp. (4)
В рассматриваемом в качестве примера преобразователе, изображенном на чертеже, реализованы следующие размеры рассмотренных элементов конструкции:
L = 100 мм (при f_в = 7 кГц)
L/λ_в= 0,47, что соответствует условию (1)
b = 10 мм, b/D = 0,1, что соответствует (2)
t = 10 мм, t/λ(м)в= 1,4•10^-2, что соответствует (3)
H = 45 мм 0,2λ(ж)в= 43 мм, т.е. выполняя условие (4), выбираем глубину полости, близкую к минимальной, чем обеспечиваем расположение второго (верхнего) резонанса близко к верхней границе частотного диапазона f_в. Дальнейшее уменьшение глубины полости H приводит к выходу 2-го резонанса за пределы заданного частотного диапазона, т.е. к снижению эффективности преобразователя на верхних частотах заданного диапазона.

Увеличение H в пределах, ограниченных условием (4), т.е. до 64 мм (при f_ср = 4,7 кГц), возможно и приведет к некоторой деформации частотной характеристики в виде подъема нижних и средних частот диапазона за счет некоторого снижения на верхних частотах.

Т.е. в обоих случаях получаем полосу ≈1,5 октав (от 2,4 до 7 кГц).

Таким образом, при реализации условий 1 - 4 предлагаемый преобразователь эффективно работает в полосе 1,5 октавы, т.е. благодаря введенным новым признакам достигнут желаемый эффект.

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности низкочастотных стержневых пьезокерамических преобразователей. Улучшение частотной характеристики и повышение эффективности преобразователя при его работе в составе многоэлементной антенны достигается за счет того, что гидроакустический преобразователь, содержащий пьезокерамический элемент, заключенный между двумя металлическими накладками, и герметичный корпус, образующий перед передней накладкой жидкостно-заполненную цилиндрическую полость, снабжен жестким фланцем, установленным на наружную поверхность передней части корпуса и имеющим поперечное сечение в виде квадрата с круговым отверстием, равным внутреннему диаметру полости. Конструкция преобразователя может быть оптимизирована выбором соотношения размеров полости и фланца. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Гидроакустический преобразователь для многоэлементной антенны, содержащий пьезокерамический элемент, заключенный между двумя металлическими накладками, и герметичный корпус, образующий перед передней накладкой жидкостно-заполненную цилиндрическую полость, отличающийся тем, что передняя часть корпуса снабжена жестким фланцем, имеющим поперечное сечение в виде квадрата с круговым отверстием, диаметр которого равен внутреннему диаметру жидкостнозаполненной цилиндрической полости. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что сторона фланца z составляет 0,4 - 0,48λ_B, где λ_B-длина волны звука в воде на верхней частоте рабочего диапазона, минимальная толщина стенки фланца b = (z - D) : 2 = 0,09 - 0,11 D, D - внутренний диаметр полости; высота фланца
t≥1,1•10^-2λ(м)B

,
где λ(м)B- длина волны звука в материале фланца на верхней частоте рабочего диапазона,
а глубина полости H лежит в пределах
0,2λ(*)B≤H≤0,2λ(*)ср,
где λ(*)B и λ(*)ср - длины волн звука в жидкости, заполняющей полость, на верхней и средней частотах рабочего диапазона соответственно.