ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗГИБНЫЙ ПРИЕМНИК Российский патент 2002 года по МПК H04R1/44 H04R17/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в качестве гидроакустического приемника звука, в частности в антеннах шлангового типа.

Известен ряд конструкций изгибных преобразователей, используемых в гидроакустике (патенты [1-4]).

Во всех этих патентах рассматриваются наиболее распространенные в настоящее время круглые пластинчатые изгибные преобразователи-приемники двусторонней симметричной полупассивной конструкции.

Эти изобретения в основном направлены на повышение чувствительности приемников при сохранении их устойчивости к действию наружного гидростатического давления. В [1] повышение чувствительности достигается путем увеличения гибкости круглых пластин за счет уменьшения их толщины. При этом для защиты пьезокерамики от разрушения при действии гидростатического давления в [1] используются сложные элементы защиты, выполнение которых требует высокого класса обработки и даже применения лазеров. Это существенно удорожает конструкцию.

В [2], [3] используются диски и пластины более толстые и повышение чувствительности достигается путем совершенствования формы опор [2] и способов соединения опоры с пассивными дисками, к которым крепятся пьезокерамические круглые пластины. Эти конструкции характерны тем, что диаметр пьезокерамической пластины выбирается, равным диаметру пассивного диска, а при этих условиях для получения высокой чувствительности приемника необходимо конструктивно обеспечить на краях диска условия, близкие к шарнирному опиранию. Практически полная реализация подобной опоры недостижима, а приближение к этим условиям опирания связано с рядом конструктивных трудностей. Дополнительные сложности возникают при герметизации объема, заключенного между дисками. Следует отметить, что для повышения прочности приемников по отношению к действию гидростатического давления во всех известных нам случаях (и в рассматриваемых патентах) в качестве материала для пассивного диска используются дорогостоящие металлы (титан, бронза, специальная сталь), а для выполнения заявляемых способов соединения дисков между собой [3] или с промежуточной деталью [2], также выполняемой из подобного металла, требуется использование высокого класса обработки металлических деталей [2], в том числе применения лазерной сварки [3]. Это, естественно, приводит к увеличению трудоемкости при изготовлении приемников и, в конечном счете, к увеличению их стоимости.

В то же время в ряде случаев использования гидроакустических приемников, например, в многоэлементных длинномерных буксируемых антеннах шлангового типа, с одной стороны, не требуется работы приемников при сверхвысоких давлениях, а с другой стороны, в связи с большим количеством приемников в антенне и с уменьшенным, по сравнению со стационарными антеннами, сроком службы на первое место выходит требование малой стоимости приемников, снижение трудоемкости при изготовлении, применение менее дефицитных материалов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой нами конструкции является изгибный приемник по патенту [4].

В патенте [4] рассматривается изгибный приемник, содержащий две пьезокерамические пластины, каждая из которых жестко связана с соответствующим металлическим диском, равного ей диаметра, а повышение чувствительности достигается путем выполнения дисков по толщине в виде двух частей разных диаметров и крепления дисков к кольцевой опоре методом тугой посадки.

Таким образом, несмотря на видимое упрощение конструкции в сравнении с рассмотренными выше патентами [1-3], в [4] сохранены такие особенности, как применение металла, использование высокой точности его обработки, необходимость специальных мер по герметизации объема между дисками.

Эти особенности, с нашей точки зрения, являются недостатками, удорожающими приемник.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции изгибного гидроакустического приемника, удовлетворяющего требованиям по прочности и чувствительности, но в то же время максимально дешевого в изготовлении.

Для решения поставленной задачи в известный гидроакустический изгибный приемник, содержащий две круглые пьезокерамические пластины с электродами на плоских поверхностях, жестко связанные с двумя дисками из пассивного материала, и кольцеобразную деталь, закрепленную между дисками, введены новые признаки:
диски выполнены из конструкционного диэлектрика, например стеклотеклотекстолита, и скреплены с кольцеобразной деталью жестко и герметично, при этом диаметр пьезокерамической пластины D_п должен быть не менее чем в два раза меньше диаметра пассивного диска:
D_п ≤ 0,5D_д. (1)
Кроме того, для обеспечения надежного электрического контакта с подводящими проводами и для создания эффекта экранировки на поверхность каждого диска, связанную с пьезокерамической круглой пластиной, может быть нанесена фольга, разделенная на две изолированные друг от друга области, каждая из которых электрически соединена с одним из электродов связанной с данным диском круглой пьезокерамической пластины.

Использование изобретения обеспечивает достижение следующих технических результатов:
- выполнение дисков из конструкционного диэлектрика, например стеклотекстолита, позволяет, во-первых, снизить затраты на приобретение материала, во-вторых, максимально упростить механическую обработку путем применения диэлектрика в виде листа, требуемой толщины, в результате чего не требуется механической обработки плоских поверхностей дисков. При этом высокая чувствительность обеспечивается за счет малого модуля упругости материала дисков, в результате чего диск под действием полезного сигнала претерпевает большие деформации, которые вследствие жесткого соединения передаются пьезокерамической пластине и вызывают в ней высокие механические напряжения, следствием которых являются высокие электрические напряжения на электродах пластины, т. е. высокая чувствительность;
- жесткое и герметичное соединение дисков с кольцеобразной деталью обеспечивается с помощью обычной склейки - операции, не требующей затрат квалифицированного труда и высокой точности обработки соединяемых деталей;
- выполнение приведенного выше соотношения (1) позволяет обеспечить отсутствие в пьезокерамической пластине напряжений разного знака, что позволяет обеспечить высокую чувствительность при отсутствии условий шарнирного опирания на краях диска;
- наличие на поверхности каждого диска фольги, разделенной на две изолированные области, позволяет простейшим способом обеспечить надежное электрическое и механическое соединение электродов пьезокерамической пластины с подходящими к ней проводами, что является важным моментом в обеспечении надежной работы приемника, при этом операция нанесения фольги на диэлектрик исключается, если использовать фольгированный листовой материал;
- разделение фольги на поверхности диска определенным образом позволяет усилить экранировку пьезокерамической пластины от действия внешних электрических помех.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен пример конструктивного выполнения заявляемого гидроакустического изгибного приемника.

Как показано на чертеже, заявляемый гидроакустический изгибный приемник содержит две круглые пьезокерамические пластины 1, жестко связанные путем склейки с двумя дисками 2, выполненными из фольгированного стеклотекстолита, и кольцеобразную деталь 3 из стеклотекстолита, с которой диски скреплены путем склейки по поверхности 4. Фольга на обеих наружных поверхностях дисков 2 разделена на две изолированные друг от друга области 5 и 6 с помощью зазора 7.

Электрическое соединение электродов пьезокерамической пластины с областями фольги 5 и 6 осуществляется со стороны электрода, прилегающего к диску путем применения при склейке токопроводящей склеивающей массы 8, а со стороны наружного электрода за счет пайки к электроду и области фольги 6 - латунного лепестка 9. Подводящие провода 10 присоединяются к соответствующим областям фольги с помощью пайки.

В случае использования приемника в антенне шлангового типа, в среде электроизоляционного заполнителя, не требуется дополнительного покрытия для изоляции электродов пьезокерамики друг от друга.

При использовании приемника непосредственно в водной среде необходимо предусмотреть изоляционное покрытие 11.

Для рассматриваемого примера конструкции приняты следующие размеры: D_д= 27 мм; толщина диска: t_д=2 мм; D_п=12 мм. Таким образом, выполнено условие (1), обеспечивающее высокую чувствительность приемника (D_п=0,44D_д). Оценка механических напряжений, возникающих в диске при действии гидростатического давления по известной формуле [5], показывает, что предельные давления для приемника превышают 7 МПа.

Экспериментально для макета приемника подтверждена устойчивость к действию гидростатического давления до 4 МПа и измерена чувствительность к полезному сигналу 200 мкВ/Па.

В описанной конструкции гидроакустического изгибного приемника реализованы все отличительные признаки, указанные в формуле изобретения, и в результате достигнуты все ожидаемые технические результаты.

Работа приемника как взятого отдельно, так и в составе антенны осуществляется обычным образом: полезные сигналы в виде переменного акустического давления воздействуют на всю наружную поверхность приемника, в результате чего диски 2 деформируются - изгибаются, а соединенные с ними пьезокерамические пластины 1 испытывают деформации, вследствие которых в них появляются механические напряжения одного знака, что обеспечивается выполнением условия (1). В силу прямого пьезоэффекта эти напряжения приводят к появлению на электродах пьезокерамических пластин электрических напряжений, которые через соответствующие электрические соединения 8, 9, 5, 6 поступают на провода 10 и по ним передаются далее на приемную аппаратуру.

Предложенный гидроакустический изгибный приемник отличается технологичностью в изготовлении, обеспечивает высокую чувствительность, не требует применения дорогостоящих и дефицитных металлов и способен надежно работать при требуемых гидростатических давлениях.

ЛИТЕРАТУРА
1. Патент Франции 2604588 от 25.09.87 г. по кл. H 04 R 1/44.

2. Патент США 4709361 от 24.11.87 г. по кл. H 04 R 17/00.

3. Патент Германии 4226485 от 23.12.93 г. по кл. H 04 R 1/44.

4. Патент России 1748291 А1 от 3.05.90 г. по кл. Н 04 R 17/00.

5. Тимошенко С.П. и др. Пластины и оболочки. - М., 1963, с. 72.

Изобретение относится к области гидроакустики. Гидроакустический изгибный приемник содержит две круглые пьезокерамические пластины с электродами на плоских поверхностях и кольцеобразную деталь, закрепленную между дисками. Каждая пьезокерамическая пластина жестко связана с соответствующим диском из пассивного материала. Диски выполнены из конструкционного диэлектрика, например стеклотекстолита, и скреплены с кольцеобразной деталью жестко и герметично, при этом D_д≥2D_п, где D_д - диаметр диска из пассивного материала, D_п - диаметр пьезокерамической пластины.

Для обеспечения надежного электрического контакта на поверхность каждого диска, связанную с пьезокерамической круглой пластиной, наносится фольга, разделенная на две изолированные друг от друга области, каждая из которых электрически соединена с данным диском круглой пьезокерамической пластины. В результате получен дешевый в изготовлении изгибный гидроакустический приемник, удовлетворяющий требованиям по прочности и чувствительности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидроакустический изгибный приемник, содержащий две круглые пьезокерамические пластины с электродами на плоских поверхностях, при этом каждая пьезокерамическая пластина жестко связана с соответствующим диском из пассивного материала, и кольцеобразную деталь, закрепленную между дисками, отличающийся тем, что диски выполнены из конструкционного диэлектрика, например стеклотекстолита, и скреплены с кольцеобразной деталью жестко и герметично, при этом D_д≥2D_п, где D_д - диаметр диска из пассивного материала, D_п - диаметр пьезокерамической пластины. 2. Гидроакустический изгибный приемник по п. 1, отличающийся тем, что на поверхность каждого диска, связанную с пьезокерамической круглой пластиной, нанесена фольга, разделенная на две изолированные друг от друга области, каждая из которых электрически соединена с данным диском круглой пьезокерамической пластины.