ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ СТЕРЖНЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H04R1/44 H04R17/00 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических стержневых пьезоэлектрических преобразователей для многоэлементных антенн гидроакустических станций и комплексов подводных лодок и для подводных аппаратов, работающих при высоких давлениях.

При разработке гидроакустических стержневых пьезоэлектрических преобразователей, работающих в широкой полосе частот при высоких гидростатических давлениях, приходится решать вопрос виброизоляции механической колебательной системы от герметичного корпуса, в котором она размещается. В практике разработки гидроакустических преобразователей для обозначения конструктивных элементов, обеспечивающих виброизоляцию, принят термин «акустическая развязка». При недостаточной виброизоляции не обеспечиваются требуемые электроакустические характеристики преобразователя, в первую очередь, не обеспечиваются равномерность частотной характеристики и малый уровень тыльного излучения вследствие колебаний поверхности корпуса. Кроме того, следует иметь в виду, что механические потери в материале акустической развязки могут значительно снижать КПД гидроакустического стержневого преобразователя.

Известна конструкция стержневого гидроакустического преобразователя [1], у которого акустическая развязка установлена между передней накладкой и корпусом и выполнена в виде резиновой детали типа манжеты. При этом пьезокерамический стержневой (активный) элемент разгружен от действия гидростатического давления, а корпус внутри заполнен газом. Недостатком этой конструкции является малая устойчивость к действию гидростатического давления, поэтому она используется при малых и средних давлениях, т.е. для надводных кораблей и буксируемых устройств. Кроме того, большие потери в акустической развязке приводят к снижению КПД.

Известна также конструкция гидроакустического стержневого преобразователя [2] с герметизирующей акустической развязкой подобного типа, но с заполнением объема корпуса электроизоляционной жидкостью и имеющего компенсатор гидростатического давления. Такая конструкция обеспечивает прочность гидроакустического стержневого преобразователя и акустической развязки при высоких гидростатических давлениях. Недостатком ее являются паразитные резонансы жидкости, заполняющей корпус, которые вызывают глубокие провалы на частотной характеристике в режимах приема и излучения, расположенные в области рабочих частот, поэтому такая конструкция не может быть использована для широкополосного гидроакустического стержневого преобразователя.

Известна конструкция по патенту США [3], в котором описана разгруженная конструкция гидроакустического стержневого преобразователя, аналогичного рассмотренному в [1], при этом виброизоляция передней накладки от корпуса осуществляется акустической развязкой, выполненной в виде многослойного бумажного пакета. Такая акустическая развязка, естественно, обладает нелинейными свойствами, т.к. с ростом давления ее жесткость увеличивается. Однако, по утверждению авторов, эта развязка эффективно работает до гидростатического давления 30 кг/см². Этого явно недостаточно, да и свойства бумажной развязки, очевидно, будут изменяться со временем.

Известны конструкции, в которых виброизоляция колебательной системы гидроакустического стержневого преобразователя осуществляется путем жесткого крепления за ее «нулевое сечение», т.е. в той поперечной плоскости, в которой находится узел продольных колебаний на рабочей частоте. Например, патент Великобритании [4]. Виброизоляция, достигаемая таким способом, эффективна в узком диапазоне частот, для которых нулевая (или узловая) плоскость лежит вблизи узла крепления пьезокерамического стержневого элемента к корпусу. При изменении рабочей частоты положение узловой плоскости существенно изменяется и виброизоляция становится неэффективной, поэтому для работы в широкой полосе эта конструкция непригодна.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является гидроакустический стержневой преобразователь по патенту [5]. Гидроакустический стержневой преобразователь-прототип состоит из пьезокерамического стержневого элемента, к которому крепятся две накладки, герметично размещенные в прочном корпусе, заполненном газом. Виброизоляция колебательной системы от прочного корпуса выполнена в виде резинового диска, заключенного в замкнутый объем, образуемый тыльной накладкой, стенками и массивным дном корпуса.

Преобразователь с акустической развязкой такой конструкции может работать при высоких давлениях, т.к. при всестороннем сжатии резины, реализуемом в замкнутом объеме, свойства резины (или другого полимера) под давлением не меняются, а механические потери в материале акустической развязки при объемном сжатии-растяжении существенно меньше, чем при линейной деформации.

Акустическую развязку, способную выдерживать усилие от действия гидростатического давления, далее будем называть силовой акустической развязкой.

Основным недостатком рассматриваемой в качестве прототипа конструкции является то, что гидростатическое давление Р_г/ст передается на пьезокерамику, причем в ней возникают осевые сжимающие напряжения σ, определяемые по формуле:

σ=Р_г/ст·К_м (1),

где К_м - коэффициент механической трансформации, равный отношению площади поперечного сечения передней накладки к площади поперечного сечения пьезокерамики (стержневого пьезокерамического элемента).

Широкополосные стержневые преобразователи характеризуются большим значением этого отношения: К_м≥10, вследствие чего при больших значениях Р_г/ст в пьезокерамике могут развиться сжимающие осевые напряжения, которые приведут либо к ее разрушению, либо к потере чувствительности вследствие деполяризации.

Задачей настоящего изобретения является создание гидроакустического стержневого преобразователя, способного эффективно работать в широком диапазоне частот при высоких гидростатических давлениях.

Техническими результатами изобретения являются обеспечение хорошей виброизоляции механической колебательной системы гидроакустического стержневого преобразователя от прочного корпуса с помощью акустической развязки, работающей в широком диапазоне частот, не зависящей от величины гидростатического давления и обладающей приемлемыми конструктивными размерами.

Для достижения этих технических результатов в конструкцию гидроакустического стержневого преобразователя, содержащего пьезокерамический стержневой элемент с двумя накладками, герметично размещенный в прочном корпусе и виброизолированный от него акустическими развязками, одна из которых, силовая, выполнена в виде резиноподобного полимера, заключенного в замкнутом объеме, введены новые признаки, а именно: силовая акустическая развязка установлена у передней накладки и выполнена в виде отдельного конструктивного узла, имеющего форму толстостенного полого цилиндра. Его металлические стенки содержат детали, образующие замкнутый объем, заполненный резиноподобным полимером, и выполненные с возможностью осевого смещения друг относительно друга с изменением этого замкнутого объема. Прочный корпус преобразователя выполнен из двух соосных металлических труб разного диаметра, которые в месте расположения передней накладки соединены кольцевым металлическим фланцем, а торцы толстостенного полого цилиндра акустической развязки контактируют с внутренними поверхностями передней накладки и кольцевого фланца.

Одним из возможных исполнений конструкции силовой акустической развязки является полый толстостенный цилиндр с равномерно размещенными по окружности глухими отверстиями, оси которых параллельны его оси, а внутренние объемы заполнены резиноподобным полимером, при этом глухие отверстия закрыты выступающими за торцевую поверхность толстостенного полого цилиндра поршнями, выполненными с возможностью осевого перемещения в глухих отверстиях. Такая конструкция позволяет варьировать гибкостью силовой акустической развязки.

В другой возможной конструкции силовой акустической развязки полый толстостенный цилиндр выполнен из двух коаксиальных труб разного диаметра с фланцами, образующих замкнутый объем, заполненный резиноподобным полимером, и имеющих возможность осевого перемещения друг относительно друга. Эта конструкция может оказаться проще и надежней.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1 схематически изображена конструкция преобразователя, место установки основной силовой акустической развязки, способ крепления колебательной системы внутри корпуса и ее виброизоляции от корпуса. На фиг.2 и 3 показаны две предлагаемые конструкции силовой акустической развязки.

Стержневой гидроакустический преобразователь (фиг.1) содержит стержневой пьезокерамический элемент 1, соединенный с тыльной 2 и передней 3 накладками и герметично размещенный в прочном корпусе, состоящем из двух соосных металлических труб разного диаметра 4 и 5, двух кольцевых металлических фланцев 6 и 7 и дна 8. Виброизоляция колебательной системы стержневого гидроакустического преобразователя (1, 2, 3) от прочного корпуса осуществляется с помощью силовой акустической развязки 9, установленной между свободной внутренней поверхностью передней накладки 3 и внутренней поверхностью кольцевого металлического фланца 6 прочного корпуса и с помощью дополнительной развязки 10. Акустическая развязка 10 установлена между свободной поверхностью тыльной накладки 2, стягивающим винтом 11 и кольцевым металлическим фланцем 7 прочного корпуса. Герметизация внутреннего объема прочного корпуса, заполненного воздухом, обеспечивается кольцевыми уплотнениями 12. Гибкость акустической развязки 10 на порядок выше гибкости силовой акустической развязки 9, вследствие чего она не препятствует разгрузке пьезокерамического стержневого элемента 1 от действия гидростатического давления.

Кроме того, на фиг.1 показаны провода 13 и кабельный ввод 14, обеспечивающие электрическое соединение пьезокерамического стержневого элемента с аппаратной частью вне корпуса.

Силовая акустическая развязка 9 выполнена в виде отдельного (самостоятельного) конструктивного узла, имеющего форму толстостенного полого цилиндра, содержащего замкнутый объем, целиком заполненный резиной и способный деформироваться только в осевом направлении.

Различные исполнения конструкции силовой акустической развязки 9 приведены на фиг.2 и 3.

На фиг.2 изображена конструкция силовой акустической развязки, имеющая вид полого толстостенного цилиндра 15, в стенках которого выполнен ряд глухих отверстий 16 одинаковой глубины, оси которых параллельны оси цилиндра. Количество отверстий в рассматриваемом примере равно двенадцати. Внутренний объем отверстий заполнен вулканизованной резиной и на выходе отверстий установлены поршни 17, имеющие возможность осевого перемещения при приложении осевых сжимающих нагрузок. Размер (и количество) цилиндрических отверстий выбирается таким образом, чтобы резонанс f_p, образованный гибкостью заключенной в них резины (С_р) и массами корпуса (М_к) и колебательной системы (М_с), определяемый по формуле (2), находился ниже нижней частоты рабочего диапазона f_н.

Под действием гидростатического давления Р силовая акустическая развязка за счет гибкости объема резины будет претерпевать осевую деформацию ΔL, равную:

ΔL=C_p·P·S (3),

,

E_p=ρ·C_3B ² (5)

где S - рабочая поверхность передней накладки, S_p, L_p - суммарная площадь поперечного сечения и длина резины, заполняющей отверстия, Е_р - упругий модуль резины в замкнутом объеме, ρ - плотность резины, С_3B - скорость звука в резине.

Расчеты показывают, что для конкретного преобразователя условие (2) выполняется при S_p=20 см² и длине резинового заполнения 4 см. При этом ΔL_max составляет порядка 1 мм при давлении 75 атм.

На фиг.3 изображена конструкция силовой акустической развязки, состоящей из двух коаксиальных труб разного диаметра: наружной 18 и внутренней 19 с фланцами 20 и 21, которые образуют замкнутый объем, заполненный резиной 22. Трубы с фланцами имеют возможность осевого перемещения друг относительно друга при изменении объема резины под действием осевых сжимающих усилий.

Формулы (2) и (3) и количественные оценки, произведенные для конструкции силовой акустической развязки на фиг.2, в равной степени относятся и к конструкции, представленной на фиг.3.

Сравнивая конструкции силовых акустических развязок, приведенные на фиг.2 и 3, можно отметить, что для реализации конструкции, представленной на фиг.2, требуется изготовить большее число деталей, чем для той, что представлена на фиг.3, однако можно предположить, что эти детали проще в изготовлении, кроме того, изменяя количество установленных поршней, можно в довольно широких пределах регулировать гибкость силовой развязки. При этом вторая конструкция силовой акустической развязки (фиг.3) является более надежной.

В описанной выше конструкции преобразователя реализованы все отличительные признаки, как основные, так и дополнительные, благодаря которым достигается заявленный положительный эффект, а именно: благодаря применению силовой акустической развязки, включающей замкнутый объем, заполненный резиноподобным полимером, выполненной в виде отдельного элемента конструкции и установленной между передней накладкой преобразователя и фланцем корпуса (смотри 9, 3 и 6 на фиг.1), обеспечивается виброизоляция механической колебательной системы преобразователя от прочного корпуса в широком диапазоне частот и при высоких гидростатических давлениях. Малая величина потерь в материале силовой акустической развязки обеспечивает высокий КПД гидроакустического стержневого преобразователя.

Вследствие этого обеспечиваются требуемые электроакустические параметры преобразователя при любых, в том числе и высоких, гидростатических давлениях в широкой полосе рабочих частот.

Работа гидроакустического стержневого преобразователя осуществляется следующим образом. В режиме излучения электрические сигналы от генератора поступают через кабель, кабельный ввод и соединительные провода на электроды стержневого пьезокерамического элемента, при этом возбуждаются его продольные колебания, которые передаются передней накладке и излучаются с ее рабочей поверхности. Вследствие наличия силовой акустической развязки 9 эти колебания в диапазоне рабочих частот практически не передаются прочному корпусу и он не излучает в среду паразитную акустическую энергию в тыльном и боковых направлениях.

В режиме приема акустический сигнал из среды воздействует на рабочую поверхность преобразователя и всю поверхность прочного корпуса, однако из-за наличия силовой акустической развязки 9 на пьезокерамический стержневой элемент передаются только те механические напряжения, которые возбуждаются сигналом, воздействующим на рабочую поверхность передней накладки преобразователя. Благодаря этому характеристики направленности преобразователя имеют малый уровень тыльного и бокового паразитного излучения и приема.

Следует отметить, что уменьшение поперечных размеров в направлении от передней рабочей поверхности к дну прочного корпуса позволяет использовать заявляемый преобразователь в цилиндрических и сферических антеннах весьма малого диаметра (≤ 4 длинам излучателя).

Наличие воздуха внутри прочного корпуса и виброизоляция колебательной системы от прочного корпуса позволяют получать направленные излучение-прием без применения дополнительных экранов.

Таким образом, введение новых признаков позволило получить заявленный эффект и создать широкополосный гидроакустический преобразователь, работающий при больших гидростатических давлениях.

Источники информации

[1] Подводные электроакустические преобразователи. Справочник. 1983 г., стр.98, рис.6.1-а.

[2] Подводные электроакустические преобразователи. Справочник. 1983 г., стр.98, рис.6.1-б.

[3] Патент США №4.219.889 по кл. H 04 R 17/00, 1980 г.

[4] Патент Великобритании №1.363.771 по кл. H 04 R 1/44, 1970 г.

[5] Патент России №2167501 по кл. МПК 7 H 04 R 17/00, 1999 г.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию стержневых широкополосных излучателей, работающих при высоких гидростатических давлениях. Сущность: пьезокерамический стержневой элемент с двумя накладками герметично размещен в прочном корпусе и виброизолирован от него акустическими развязками. Одна из развязок, силовая, выполнена в виде отдельного конструктивного узла, имеющего форму толстостенного полого цилиндра. Металлические стенки цилиндра содержат детали, образующие замкнутый объем, заполненный резиноподобным полимером, и выполненные с возможностью осевого смещения друг относительно друга с изменением этого замкнутого объема. При этом прочный корпус выполнен из двух соосных металлических труб разного диаметра, которые в месте расположения передней накладки соединены кольцевым металлическим фланцем. Торцы толстостенного полого цилиндра силовой акустической развязки контактируют с внутренними поверхностями передней накладки и кольцевым металлическим фланцем. Технический результат: обеспечение хорошей виброизоляции механической колебательной системы гидроакустического стержневого преобразователя от прочного корпуса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гидроакустический стержневой преобразователь, содержащий пьезокерамический стержневой элемент с передней и тыльной накладками, герметично размещенный в прочном корпусе и виброизолированный от него акустическими развязками, одна из которых, силовая, выполнена в виде резиноподобного полимера, заключенного в замкнутом объеме, отличающийся тем, что силовая акустическая развязка установлена у передней накладки и выполнена в виде отдельного конструктивного узла, имеющего форму толстостенного полого цилиндра, металлические стенки которого содержат детали, образующие замкнутый объем, заполненный резиноподобным полимером, и выполненные с возможностью осевого смещения относительно друг друга с изменением этого замкнутого объема, при этом прочный корпус выполнен из двух соосных металлических труб разного диаметра, которые в месте расположения передней накладки соединены кольцевым металлическим фланцем, а торцы толстостенного полого цилиндра силовой акустической развязки контактируют с внутренними поверхностями передней накладки и кольцевого металлического фланца.2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в металлических стенках полого толстостенного цилиндра силовой акустической развязки равномерно по окружности размещены глухие отверстия, оси которых параллельны его оси, при этом глухие отверстия заполнены резиноподобным полимером и закрыты выступающими за торцевую поверхность толстостенного полого цилиндра поршнями, выполненными c возможностью осевого перемещения в глухих отверстиях.3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что полый толстостенный цилиндр силовой акустической развязки выполнен из двух коаксиальных труб разного диаметра с фланцами, образующих замкнутый объем, заполненный резиноподобным полимером, и имеющих возможность осевого перемещения относительно друг друга.