СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК H04R31/00 

Настоящее изобретение может быть использовано в гидроакустике при разработке мощных низкочастотных цилиндрических электроакустических излучателей.

Излучатели этого типа широко применяются в современной гидроакустике при создании антенн эхопеленгования, подводной связи, освещения подводной обстановки, а также в научно-исследовательских целях при изучении Мирового океана.

Методы расчета и конструкции цилиндрических излучателей, способы их изготовления описаны в целом ряде работ советских и зарубежных авторов, а также в отечественных и иностранных патентах (см., например, Камп Л. Подводная акустика. М.: Мир, 1972, с. 153-155; Подводные электроакустические преобразователи. Справочник/Под редакцией В.В.Богородского. Л.: Судостроение, 983, с. 88-97; патенты США N 3230505, 1966, N 3922.572, 1975).

Основные трудности, возникающие при создании мощных цилиндрических электроакустических излучателей, заключаются в обеспечении надежной герметизации и высокой электрической прочности конструкции, необходимого технического ресурса. Выполнение этих требований в значительной степени зависит от способа изготовления излучателя.

Известен цилиндрический пьезокерамический излучатель и способ его изготовления (см. упомянутый выше справочник под редакцией В.В. Богородского, стр. 89, рис. 5.2). Излучатель содержит следующие основные узлы и детали: армированное стеклонитью пьезокерамическое кольцо, торцевые фиксирующие детали, два торцевых металлических фланца, наружную и внутреннюю герметизирующие оболочки, выполненные из металла. Способ изготовления излучателя состоит из следующих основных операций:
- установка кольца на фланец и подсоединение монтажных проводов вводов;
- установка второго фланца и герметизирующих оболочек;
- сварка фланцев с герметизирующими оболочками по их торцам;
- заполнение внутреннего объема электроизоляционной жидкостью.

Основным недостатком известного способа является малый срок службы сварных соединений герметизирующих оболочек и фланцев. Сварные швы соединений подвержены действию статических и динамических нагрузок, однако надежность их мала. После сварки в сварных швах нельзя снять механические напряжения термической обработкой, так как близость пьезокерамического кольца не допускает их нагрева до нужной температуры. При этом методы надежного неразрушающего контроля прочности сварных швов в настоящее время отсутствуют.

Основным недостатком способа-прототипа, который выявился в ходе испытаний опытных образцов излучателей, оказался малый срок службы, обусловленный недостаточной герметичностью конструкции. Анализ возможных причин выхода из строя излучателей показал следующее. Нарушение герметичности конструкции излучателей вызвано малой надежностью узла крепления внутренней цилиндрической оболочки с наружной поверхностью кольца меньшего диаметра обоих фланцев. Физически это можно объяснить следующим образом. При звуковых колебаниях излучателя в один из полупериодов (когда кольцо расширяется) движение внутренней цилиндрической оболочки таково, что ее края стремятся отойти от наружных поверхностей кольца меньшего диаметра каждого фланца. В образующийся малый зазор попадает вода под меньшим гидроакустическим давлением, воздействующим на излучатель. В другой полупериод этот зазор захлопывается, но часть воды в нем остается. При следующем цикле колебаний все повторяется.

Таким образом, возникает явление, сходное с действием насоса типа "лягушка". Это приводит к постепенному попаданию воды внутрь излучателя, электрическому пробою и, как следствие, выходу излучателя из строя. Неблагоприятная ситуация усугубляется еще и тем, что технологически сложно скрепить надежно две крупные детали по цилиндрическим поверхностям большого диаметра, то есть край внутренней цилиндрической оболочки и наружную поверхность кольца меньшего диаметра.

Другим недостатком способа-прототипа является его сравнительная сложность. Прижимы внутренней и наружной оболочек к кольцам фланцев осуществляются стеклонитью со связующим (три технологические операции) при установленном пьезокерамическом кольце, что может привести к его повреждению. Так при силовой намотке стеклонити к краям внутренней оболочки часть связующего (т. е. клеящего вещества) неизбежно попадает во внутреннюю полость между пьезокерамическим кольцом и оболочкой. В этой полости расположены монтажные лепестки и шины и наблюдались случаи их склеивания с участками оболочки. В результате при последующем заполнении внутренней полости электроизоляционным материалом, когда оболочка несколько растягивается, происходит отрыв лепестков и нарушение электрического монтажа пьезокерамического кольца.

Серьезным недостатком способа-прототипа является отсутствие практической возможности проверки качества скрепления краев внутренней цилиндрической оболочки с наружной поверхностью колец фланцев. Такая проверка в цеховых условиях обычно проводится сухим воздухом, подаваемым под избыточным давлением во внутреннюю полость излучателя до заполнения ее электроизоляционным материалом. Однако при изготовлении излучателя известным способом такая проверка ничего не дает: воздух под давлением прижимает края внутренней оболочки к кольцам фланцев и дефекты сборки не обнаруживаются. Если пойти другим путем - откачать воздух из внутренней полости, то оболочка в силу своей податливости будет ложится на монтажные лепестки и шины, располагающиеся на внутренней цилиндрической поверхности пьезокерамического кольца, вызывая их повреждения.

Целью предлагаемого способа изготовления электроакустического излучателя является устранение указанных недостатков и повышение долговечности его конструкции путем улучшения герметизации и упрощения процесса изготовления и контроля. Для этого в известный способ, включающий сборку пьезоэлектрического кольца, герметизацию его установкой в корпус, образованный двумя кольцевыми торцевыми фланцами и коаксиальными эластичными цилиндрическими оболочками, и заполнение корпуса электроизоляционным материалом, введены следующие новые операции:
- предварительно каждую оболочку (внутреннюю и наружную), имеющую на одном конце плоскую кольцевую отбортовку, прикрепляют (привулканизовывают) по свободному краю к боковой цилиндрической поверхности соответствующего фланца;
- устанавливают пьезоэлектрическое кольцо между двумя образованными таким образом частями корпуса, имеющими П-образное поперечное сечение и расположенными встречно;
- производят герметизацию корпуса излучателя путем скрепления (вулканизации) плоскими поверхностями отбортовки каждой части к фланцу другой.

Физическая сущность, по которой достигается положительный эффект предложения, состоит в следующем. Сложная вулканизация оболочек цилиндрической поверхностью к фланцам производится предварительно до установки пьезокерамического кольца. Это позволит использовать точные пресс-формы, высокое давление и необходимую температуру, что дает возможность качественно выполнить операцию. Окончательная герметизация корпуса излучателя осуществляется путем вулканизации по плоским поверхностям, которая проще и надежнее, чем вулканизация по цилиндрическим поверхностям. В связи с тем что окончательная вулканизация производится по наружным поверхностям фланцев и внутренним по отношению к пьезокерамическому кольцу поверхностям оболочек, гидростатическое давление прижимает оболочки к фланцам.

Поэтому при работе излучателя эффекта насоса "лягушки" не возникает и его герметичность сохраняется на требуемом уровне в течение всего срока службы. Наконец, при изготовлении излучателя в соответствии с предложением легко осуществить проверку на герметичность всей конструкции путем подачи внутрь воздуха под давлением до операции заполнения внутреннего объема излучателя электроизоляционным материалом. При этом в зоне вулканизации эластичный материал оболочки работает на отрыв, что позволяет выявить скрытые дефекты вулканизации и самой оболочки, повысить выход годных изделий при изготовлении, а также их надежность и долговечность в период эксплуатации.

Авторам не известны технические решения, содержащие признаки, отличающие предложенное решение от прототипа, что позволит считать это решение отвечающим критерию "существенные отличия".

Сущность предложения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показан излучатель в сборе;
на фиг. 2а показан фланец внутренней оболочкой;
на фиг. 2б показан фланец наружной оболочкой;
на фиг. 3 показан процесс установки пьезокерамического кольца и фланцев с внутренней и наружной оболочками.

Предлагаемый способ сборки цилиндрического излучателя (см. фиг. 1-3) имеет следующую последовательность операций:
- склеивают из пьезокерамических призм кольцо 1, армируют стеклонитью 2, производят электрический монтаж лепестков 3;
- каждую резиновую оболочку 4, имеющую на одном конце плоскую кольцевую отбортовку 5, по свободному краю цилиндрической поверхностью привулканизовывают к боковой цилиндрической поверхности соответствующего металлического фланца 6 и образуют две части корпуса, имеющие П-образное поперечное сечение;
- на фланец с внутренней оболочкой, снабженный электрическими вводами 7, устанавливают через изолирующие бобышки 8 пьезокерамическое кольцо. Для этого сжимают к центру отбортовку оболочки, чтобы она свободно прошла внутрь кольца;
- подсоединяют монтажные провода вводов к соответствующим точкам электрического монтажа кольца и устанавливают бобышки на его верхнем торце;
- растягивают отбортовку наружной оболочки кольцом-приспособлением 9, имеющим внутренний диаметр на 2-3 мм больше наружного диаметра фланца внутренней резиновой оболочки;
- наружную оболочку надевают с зазором на пьезокерамическое кольцо, из отбортовки вынимают кольцо-приспособление, при этом отбортовка наружной оболочки должна лечь на наружную торцевую поверхность металлического фланца внутренней оболочки. Соответственно отбортовка внутренней оболочки должна лечь на наружную торцевую поверхность фланца наружной оболочки;
- подготавливают поверхности отбортовок и фланцев к вулканизации (обезжиривают, наносят клей "лейконат");
- укладывают в зоне герметизации отбортовки внутренней оболочки с металлическим фланцем наружной оболочки отформованное кольцо из невулканизированной резины 10;
- устанавливают в зоне вулканизации технологическое приспособление, обеспечивающее центровку и фиксацию от перемещений внутренней оболочки по диаметру и запрессовку кольца из невулканизированной резины в осевом направлении. Для выполнения этой операции в металлическом фланце наружной оболочки имеется ряд глухих резьбовых отверстий, а в технологическом приспособлении - соответствующее количество проходных отверстий. Через эти отверстия болтами стягивают фланцы оболочки с технологическим приспособлением и обеспечивают необходимое усилие запрессовки резинового кольца;
- аналогичные операции выполняют и для запрессовки резинового кольца в зоне соединения отбортовки наружной оболочки с металлическим фланцем внутренней оболочки. В этом фланце также имеется ряд глухих отверстий. Технологическое приспособление для этой операции отличается только тем, что оно фиксирует оболочку по наружному диаметру;
- после запрессовки резиновых колец в зонах соединений отбортовок оболочек с металлическими фланцами излучатель помещают в термошкаф и производят вулканизацию этих соединений при соответствующей температуре;
- производят контроль качества герметизации излучателя. Для этого излучатель помещают в емкость с водой и через имеющиеся во фланцах резьбовые отверстия во внутреннюю полость подают воздух под давлением, при этом цилиндрические поверхности оболочек предохраняют от чрезмерной деформации ограждениями. В случае появления пузырьков воздуха в воде излучатель бракуется;
- заполняют внутреннюю полость излучателя электроизоляционным материалом - полиуретановым компаундом марки ПУ-3К;
- резьбовые отверстия в металлических фланцах герметизируют специальными пробками.

Технико-экономический эффект от использования предложенного способа изготовления электроакустического излучателя заключается в увеличении долговечности его конструкции, которая достигается за счет улучшения герметизации и введения операции контроля качества сборки, позволяющей выявить скрытый производственный брак. Таким образом, предложенный способ позволяет избавиться от основных недостатков прототипа - малого срока службы излучателя и отсутствия контроля качества изготовления на конечной стадии сборки.

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к способам изготовления мощных низкочастотных цилиндрических электроакустических излучателей. Способ изготовления электроакустического цилиндрического излучателя включает сборку пьезоэлектрического кольца и размещение его между двумя коаксиальными эластичными цилиндрическими оболочками и торцевыми кольцевыми фланцами. При этом с целью упрощения изготовления и улучшения герметизации излучателя предварительно на одном из концов каждой оболочки выполняют плоскую кольцевую отбортовку, противоположный конец облучателя привулканизовывают к боковой цилиндрической поверхности соответствующего фланца. После размещения пьезоэлектрического кольца прикрепляют отбортовки к прилегающим фланцам. В результате такого способа изготовления излучателя исключается при его работе эффект "лягушки", повышается герметичность, появляется возможность контроля качества изготовления на конечной стадии сборки, повышается выход годных изделий при изготовлении, надежность и долговечность при эксплуатации. 3 ил.

Способ изготовления электроакустического цилиндрического излучателя, включающий сборку пьезоэлектрического кольца и размещение его между двумя коаксиальными эластичными цилиндрическими оболочками и торцевыми кольцевыми фланцами, отличающийся тем, что, с целью упрощения изготовления и улучшения герметизации излучателя, предварительно на одном из концов каждой оболочки выполняют плоскую кольцевую отбортовку, противоположный конец оболочки привулканизовывают к боковой цилиндрической поверхности соответствующего фланца, а после размещения пьезоэлектрического кольца прикрепляют отбортовки к прилегающим фланцам.