ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H04R1/44 

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

Стержневые пьезокерамические преобразователи с массивными накладками широко применяются в гидроакустике для работ на средних и низких частотах (см. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988 г., стр. 268).

Такие преобразователи обладают рядом преимуществ, в том числе - более широкой полосой частот и уменьшенными волновыми размерами.

Известны патенты США 3421139, 3974474 и Великобритании 1363771, в которых описаны преобразователи подобной конструкции.

Общим недостатком таких стержневых преобразователей является недостаточная в ряде случаев широкополосность, в силу наличия в рабочей области частот только одного резонанса.

В патенте США 4633119 с приоритетом от 1986 г. рассматривается гидроакустический излучатель, у которого стержневой пьезоэлемент разделен на две части пассивной металлической вставкой (массой), в результате вместе с двумя накладками образуется механическая колебательная система из пяти компонент, трех масс, соединенных двумя гибкостями. Такая система обладает двумя резонансами, взаимное расположение которых зависит от параметров компонент. Недостатком этого излучателя является большая длинна армирующей стяжки, соединяющей переднюю и тыльную накладки, в результате чего резонансная частота стяжки попадает в рабочий диапазон частот, что приводит к искажению частотной характеристики и снижению механической прочности преобразователя.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому излучателю является конструкция, описанная в патенте Российской Федерации N 2112326. Механическая колебательная система этого излучателя, также, как и у предлагаемого и у описанного выше, состоит из пяти основных компонент и имеет, вследствие этого, две резонансные частоты.

Особенность излучателя по патенту РФ N 2112326 состоит в том, что в целью уменьшения продольных размеров армирующей стяжки, а также и всего излучателя в целом, одна из компонент его колебательной системы - гибкая пассивная вставка выполнена как одно целое с передней накладкой и имеет форму стакана, дно которого жестко соединено со стержневым пьезоэлементом, а массивная пассивная вставка размещена внутри этого стакана с зазором относительно его боковой поверхности и внутренней поверхности передней накладки и скреплена с дном стакана, при этом армирующая стяжка жестко соединена с массивной пассивной вставкой и с тыльной накладкой.

Как показала практика, недостатком такой конструкции является ограничение массы массивной вставки внутренним объемом стакана гибкой вставки. Действительно, т.к. наружный диаметр стакана гибкой вставки должен быть близок к наружному диаметру стержневого пьезоэлемента для эффективной передачи продольных колебаний пьезоэлемента передней накладке, то увеличение внутреннего объема гибкой вставки возможно лишь за счет увеличения ее длины, однако, это само по себе нежелательно, т.к. увеличивает продольные габариты преобразователя, к тому же для сохранения выбранной гибкости вставки при увеличении длины стенки стакана необходимо пропорционально увеличивать и толщину стенки, в результате чего внутренний объем будет увеличиваться медленнее, чем длина стенки гибкой вставки.

Таким образом, в рассматриваемой конструкции изменение величин гибкости и массы пассивных вставок, а следовательно, и возможности регулирования взаимного расположения двух резонансов преобразователя с частотами f₁ и f₂, где f₂>f₁, ограничены.

К тому же размещение массивной вставки в замкнутом объеме, образуемом гибкой вставкой и передней накладкой, осложняют сборку преобразователя и регулировку (в случае необходимости) его частотной характеристики, путем изменения массы массивной вставки.

Задачей изобретения является создание двухрезонансного излучения повышенной эффективности с уменьшенными размерами, обладающего расширенными возможностями формирования его частотной характеристики как в процессе разработки, так и при изготовлении.

Для решения поставленной задачи гидроакустический излучатель, содержащий стержневой пьезоэлемент и армирующую стяжку, жестко соединенные с тыльной накладкой, переднюю накладку, выполненную как одно целое с гибкой пассивной вставкой, имеющей форму стакана, с дном которого соединена массивная пассивная вставка, заключенная в герметичный корпус, дополнен следующими новыми признаками: массивная пассивная вставка выполнена в виде полого толстого цилиндра с жесткой перегородкой, перпендикулярной его оси, при этом внутренний диаметр цилиндра больше наружного диаметра гибкой вставки и пьезоэлемента, а перегородка одной поверхностью соединена с торцом пьезоэлемента, а другой - с наружной поверхностью дна стакана гибкой вставки, с внутренней поверхностью которого соединена армирующая стяжка.

В случае симметричной конструкции герметичный корпус может быть соединен с массивной пассивной вставкой через механическую развязку.

Технический результат от использования предложенной конструкции излучателя состоит в следующем: размеры массивной вставки в предлагаемой конструкции преобразователя в отличие от известной могут быть в несколько раз больше внутреннего объема гибкой вставки, а размеры гибкой вставки могут быть уменьшены без изменения величины гибкости, путем одновременного уменьшения ее высоты и толщины стенки, что приводит к уменьшению продольного размера преобразователя.

Наружное расположение массы позволяет регулировать ее величину в процессе сборки преобразователя, причем в значительно больших пределах, чем в конструкции излучателя по патенту РФ N 2112326 и, следовательно, в значительно большей степени влиять на частотную характеристику преобразователя. При этом в предлагаемой конструкции возможно не только увеличение отношения f₂/f₁, т. е. увеличение частоты f₂, как это имело место в прототипе, но и уменьшение этого отношения и приближении частоты f₂ к частоте f₁ путем увеличения массы массивной вставки.

Наружное расположение массивной вставки позволяет использовать ее для крепления колебательной системы преобразователя к герметизирующему корпусу, в котором она размещается.

Последнее полезно с двух точек зрения: во-первых амплитуда колебаний массивной вставки значительно меньше амплитуды тыльной накладки (которая обычно используется для крепления к корпусу), особенно в симметричных конструкциях преобразователей, в которых тыльная и передняя накладки колеблются с примерно одинаковой амплитудой, таким образом при креплении через массивную вставку уменьшаются потери в развязке и повышается эффективность преобразователя, а во-вторых, при таком креплении в силовой конструкции преобразователя пьезокерамический пьезоэлемент полностью разгружен от действия гидростатического давления и, вследствие этого, меньше подвержен старению, что также ведет к повышению эффективности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведен вариант конструкции предлагаемого гидроакустического излучателя, состоящего из стержневого пьезоэлемента 1, во внутреннем отверстии которого расположена армирующая стяжка 2, соединенная, как и пьезоэлемент 1, с тыльной стальной накладкой 3. Передняя накладка 4 выполнена из легкого металла, например из алюминия, как одно целое с гибкой вставкой 5, имеющей форму стакана.

Массивная пассивная вставка 6 имеет форму толстостенного цилиндра с жесткой поперечной перегородкой и, в силу того, что внутренний диаметр цилиндра больше наружного диаметра пьезоэлемента 1 и стакана гибкой вставки 5, его длина, а следовательно, и масса могут изменяться в широких пределах.

Герметизация металлического корпуса 7 осуществляется с помощью резиновых элементов герметизации 8 и замыкается рабочей поверхностью передней накладки 4, а силовое крепление элементов колебательной системы излучателя к корпусу выполнено посредством механической развязки 9, соединенной с массивной пассивной вставкой 6. Электрический вывод преобразователя выполнен проводами 10, подсоединенными к разъему 11.

Излучатель, изображенный на фиг. 1, формирует двухрезонансную частотную характеристику и имеет уменьшенные продольные (за счет уменьшения размеров гибкой стяжки 5), и отчасти поперечные размеры, особенно в области тыльной накладки, вследствие использования симметричной колебательной системы, в результате реализуется возможность применения такого излучателя в цилиндрической акустической системе, в которой габариты излучателя должны вписываться в заданный конус.

Благодаря малой связи между размерами гибкой вставки 5 и массивной вставки 6 реализуется возможность регулирования частотной характеристики излучателя в широких пределах в процессе разработки, а наружное расположение массивной вставки позволяет реализовать механическое соединение с корпусом 7 через развязку 9, что способствует повышению эффективности излучателя, так же как и разгрузка активного пьезоэлемента 1 от действия гидростатического давления, которое целиком воспринимается пассивными элементами 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Работа излучателя осуществляется следующим образом: электрический сигнал заданной частоты или заданного спектрального состава, лежащего в пределах рабочего диапазона частот, подается через кабельный ввод 11 и провода 10 на электроды стержневого пьезоэлемента 1, в результате в нем возбуждаются механические напряжения, вызывающие продольные механические колебания всех элементов конструкции. Колебания передней накладки 4 будут излучаться в окружающую среду, создавая в ней переменные акустические давления соответствующего спектрального состава, распространяющиеся в направлении, заданном геометрией антенны. Паразитные колебания герметичного корпуса будут существенно уменьшены за счет присоединения его к малоподвижной пассивной массе через механическую развязку.

Таким образом, заявляемый эффект, заключающийся в уменьшении продольных размеров преобразователя, в расширении возможности регулирования частотной характеристики и в повышении эффективности, достигнут.

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности стержневых пьезокерамических излучателей. Предложен гидроакустический излучатель, содержащий стержневой пьезоэлемент и армирующую стяжку, жестко соединенные с тыльной накладкой, переднюю накладку, выполненную как одно целое с гибкой пассивной вставкой, имеющей форму стакана, с дном которого соединена массивная пассивная вставка, заключенные в герметичный корпус. Массивная пассивная вставка преобразователя выполнена в виде полого толстостенного цилиндра, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра пьезоэлемента и гибкой вставки, с жесткой перегородкой, перпендикулярной его оси. С одной стороны с перегородкой скреплен пьезоэлемент, с другой стороны - дно стакана гибкой вставки и армирующая стяжка. Такая конструкция преобразователя имеет сокращенные размеры, повышенную эффективность и позволяет управлять частотной характеристикой. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидроакустический излучатель, содержащий стержневой пьезоэлемент и армирующую стяжку, жестко соединенные с тыльной накладкой, переднюю накладку, выполненную как одно целое с гибкой пассивной вставкой, имеющей форму стакана, с дном которого соединена массивная пассивная вставка, заключенные в герметичный корпус, отличающийся тем, что массивная пассивная вставка выполнена в виде полого толстого цилиндра с жесткой перегородкой, перпендикулярной его оси, при этом внутренний диаметр цилиндра больше наружного диаметра гибкой вставки и пьезоэлемента, а перегородка одной поверхностью соединена с торцом пьезоэлемента, а другой - с наружной поверхностью дна стакана гибкой вставки, с внутренней поверхностью которого соединена армирующая стяжка. 2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что герметичный корпус соединен с массивной пассивной вставкой через механическую развязку.