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

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию низкочастотных стержневых пьезоэлектрических преобразователей для многоэлементных антенн гидроакустических станций и комплексов подводных лодок и надводных кораблей.

Для обеспечения необходимой дальности действия гидроакустические антенны должны работать на достаточно низких частотах и иметь развитую рабочую поверхность. Кроме того, современные гидроакустические антенны по ряду причин могут использоваться эффективно лишь в том случае, если они укомплектованы преобразователями, способными эффективно работать в режимах излучения и приема в достаточно широкой полосе частот (до двух октав и более). Одним из перспективных направлений обеспечения этих требований является использование пьезоэлектрических гидроакустических преобразователей стержневого типа.

Известны конструкции гидроакустических стержневых преобразователей, способных работать в сравнительно широкой полосе частот. С этой целью используются гидроакустические стержневые преобразователи с массивными накладками грибовидной конструкции, часто именуемые tonpilz.

Расширение рабочей полосы частот у таких преобразователей достигается путем увеличения коэффициента механической трансформации, который определяется отношением площади передней накладки к площади пьезокерамического элемента, а также путем уменьшения веса передней накладки [1].

Для получения еще более широкой полосы используются так называемые двухрезонансные гидроакустические стержневые преобразователи, имеющие в рабочем диапазоне не один, а два достаточно широкополосных резонанса.

При этом два резонанса могут быть получены различными способами: путем применения двух механических колебательных систем, работающих каждая на свой участок передней накладки [2], путем разделения пьезокерамического стержневого элемента на две части массивной металлической вставкой [3], а также путем применения излучения через водозаполненную полость [4, 5].

Однако даже двухрезонансная система приведенных аналогов не позволяет реализовать достаточно широкую рабочую полосу (более 2^х октав) с приемлемым уровнем неравномерности частотной характеристики (˜3÷5 дБ).

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является гидроакустический излучатель по патенту [6]. Он состоит из пьезокерамического стержневого элемента, к которому с одной стороны крепится стальная тыльная накладка, а с другой стороны последовательно присоединяются жесткая пассивная вставка, гибкая пассивная вставка в виде стакана и передняя накладка из легкого металла. Жесткая пассивная вставка имеет вид сплошного металлического цилиндра и размещается с зазором внутри стакана гибкой пассивной вставки.

Все элементы конструкции соединены стальной армирующей стяжкой. Гибкая пассивная вставка выполнена как одно целое с передней накладкой, армирующая стяжка жестко крепится к дну стакана гибкой пассивной вставки и, благодаря этому, имеет уменьшенную длину, а ее резонансы лежат вне рабочей полосы частот.

Преобразователь такой конструкции имеет два резонанса, расстояние между которыми зависит в первую очередь от массы жесткой пассивной вставки.

При увеличении ее массы резонансы сближаются, а при уменьшении - расходятся, причем в основном за счет повышения частоты второго (более высокочастотного) резонанса, фактически расстояние между двумя резонансами при проектировании преобразователя может быть сделано более 1,5 октав, однако при этом частотная характеристика преобразователя имеет большую неравномерность вследствие наличия глубокого провала на частотах, лежащих между двумя максимально разнесенными резонансами. Это недопустимо, особенно при работе преобразователя в режиме излучения.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции гидроакустического стержневого преобразователя, обеспечивающего работу в широкой полосе частот большей, чем у прототипа, но при этом со значительно меньшей неравномерностью как в режиме излучения, так и в режиме приема.

Технические результаты от использования изобретения заключаются в расширении рабочей полосы частот гидроакустического стержневого преобразователя, обеспечении минимальной неравномерности его частотной характеристики и обеспечении возможности регулирования рабочей полосы частот при уменьшении его продольного габарита и веса.

Для достижения этих технических результатов в известную конструкцию гидроакустического стержневого преобразователя, содержащую стержневой пьезоэлемент, переднюю и тыльную накладки, жесткую и гибкую пассивные вставки и армирующую стяжку, размещенные в герметичном корпусе, причем передняя накладка выполнена как одно целое с гибкой пассивной вставкой, имеющей форму стакана, а армирующая стяжка жестко соединена с жесткой пассивной вставкой и дном гибкой вставки, введены новые признаки, а именно: передняя часть корпуса выполнена в виде цилиндрической полости, заполненной водой, расположенной перед рабочей поверхностью передней накладки и имеющей квадратный фланец у своего выходного отверстия, а жесткая пассивная вставка выполнена в виде диска как одно целое с дном стакана гибкой вставки.

Для обеспечения наибольшей равномерности частотной характеристики гидроакустического стержневого преобразователя собственная резонансная частота цилиндрической полости f_п должна быть связана с собственными резонансными частотами f₁ и f₂ гидроакустического преобразователя без цилиндрической полости соотношением

где h_п - длина полости в см.

В случае необходимости регулирования частотной характеристики заявленного преобразователя, а также для уменьшении глубины полости в выходном отверстии цилиндрической полости установлена круглая или квадратная металлическая пластина, механически развязанная от герметичного корпуса.

Максимальный эффект может быть достигнут, если герметичный корпус механически развязан от передней и тыльной накладок.

Механическая колебательная система преобразователя, состоящая из стержневого пьезоэлемента, двух накладок, гибкой и жесткой пассивных вставок, соединенных армирующей стяжкой, обеспечивает, как показано в [6], формирование двух резонансов f₁ и f₂, которые при малой массе жесткой пассивной вставки могут достаточно далеко отстоять друг от друга. Наличие цилиндрической полости, заполненной водой, перед рабочей поверхностью передней накладки позволяет сформировать третий резонанс f_п, частота которого определяется глубиной полости h_п:

(где С_B=1,5·10³ м/c - скорость звука в воде).

Квадратный фланец у выходного отверстия полости необходим для образования жесткого экрана вокруг полостей при работе преобразователей в составе многоэлементной антенны.

Выполняя функции согласующего слоя, цилиндрическая полость расширяет полосу у резонансов и за счет этого, а также за счет создания третьего резонанса, лежащего между частотами f₁ и f₂, ликвидирует глубокий провал между ними. Для достижения наименьшей неравномерности частотной характеристики преобразователя собственная частота цилиндрической полости

С целью максимального разнесения частот f₁ и f₂ масса жесткой пассивной вставки уменьшена и она конструктивно совмещена с дном стакана гибкой вставки. Введение металлической пластины на выходном отверстии полости в случае необходимости создает дополнительные возможности для регулирования частотной характеристики и позволяет получить то же значение f_П при уменьшении глубины полости, т.к. в этом случае

где h_ПТ и ρ_ПТ - толщина и плотность материала пластины, а ρ_В=1·10³ кг/м³ (плотность воды).

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2.

На фиг.1 изображен пример конструктивного выполнения излучателя, а на фиг.2 - типичные частотные характеристики в режиме излучения при работе в составе многоэлементной антенны при наличии полости (кривая А) и без нее (кривая В).

Как показано на фиг.1, заявленный гидроакустический преобразователь содержит стержневой пьезоэлемент 1, соединенный (склеенный) с одной стороны с тыльной накладкой 2, а с другой стороны с передней (рабочей) накладкой 3 через гибкую пассивную вставку в форме стакана 4 и пассивную жесткую вставку 5, которые выполнены как одно целое с передней накладкой 3 из легкого алюминиевого сплава. Эти пять элементов составляют основу механической колебательной системы преобразователя и определяют две его резонансные частоты (f₁ и f₂ на фиг.2). Для обеспечения механической и динамической прочности применена стальная армирующая стяжка 6. Колебательная система излучателя размещается в герметичном корпусе, состоящем из дна 7, цилиндрических секций разного диаметра 8 и 9, соединенных круглым фланцем 10. Передняя часть корпуса 9 служит для размещения передней накладки 3 и образует цилиндрическую полость 11, у выходного отверстия которой находится массивный квадратный фланец 12. Глубина полости 11 определяет частоту среднего резонанса излучателя при работе в воде (f_П на фиг.2, кривая А, формула (1)). Герметичность корпуса обеспечивается кольцевыми уплотнениями 13 и 14. Герметичный корпус механически развязан от накладок, что обеспечивается посредством развязки-уплотнения 13, кольцевыми развязками 15 у тыльной накладки и силовой развязкой 16 между передней накладкой 3 и круглым фланцем корпуса 10. С помощью этих развязок обеспечивается также фиксация колебательной системы относительно корпуса.

На фиг.1 показаны также соединительные провода 17 и кабельный ввод 18. В некоторых случаях для формирования требуемой частотной характеристики при сокращении продольных размеров (см. формулу (3)) в конструкцию преобразователя может быть добавлена металлическая пластина 19, устанавливаемая на квадратном фланце 12 у выходного отверстия полости 11 через акустическую развязку 20.

В описанной выше конструкции излучателя реализованы все отличительные признаки, как основные, так и дополнительные, благодаря которым достигается заявленный технический результат, а именно: благодаря наличию цилиндрической полости 11 с квадратным фланцем у выходного отверстия между двумя резонансными частотами прототипа формируется промежуточный резонанс цилиндрической полости f_П и, как показано на фиг.2 (кривая А), в результате реализуется частотная характеристика с широкой полосой и малой неравномерностью. Для сравнения, на фиг.2 (кривая В) приведена частотная характеристика заявленного преобразователя без полости.

На фиг.1 изображен вариант излучателя, у которого выходное отверстие полости закрыто металлической пластиной, развязанной от корпуса. Вследствие применения пластины глубина полости на фиг.1 соответственно уменьшена.

Работа стержневого гидроакустического преобразователя в составе многоэлементной антенны осуществляется обычным образом: в режиме излучения электрические сигналы поступают через кабель, кабельный ввод и соединительные провода на электроды стержневого пьезоэлемента и возбуждают его продольные колебания, которые передаются передней накладке и излучаются с ее рабочей поверхности через цилиндрическую полость, заполненную водой (и, если есть, через пластину) в окружающую среду в виде полезного сигнала.

В режиме приема акустический сигнал из среды воздействует через слой воды в цилиндрической полости (и, если есть, через пластину) на рабочую поверхность передней накладки и преобразуется в деформации пьезоэлектрического активного элемента, на электродах которого возникают электрические напряжения передаваемые через провода, кабельный ввод и кабели к приемным устройствам на борту носителя.

Следует отметить, что уменьшение поперечных размеров в направлении от переднего квадратного фланца к дну корпуса позволяет использовать заявляемый излучатель в цилиндрических (и сферических) антеннах сравнительно малого диаметра (˜4^х длин излучателя).

Наличие воздуха внутри корпуса и развязка колебательной системы от корпуса позволяют получать направленное излучение без применения дополнительных экранов.

Таким образом, введение новых признаков позволило получить заявленный технический результат и создать широкополосный гидроакустический стержневой преобразователь с малой неравномерностью частотной характеристики, весьма технологичный в изготовлении и обладающий сравнительно небольшим весом.

Источники информации

1. Патент США №3.421.139 по кл. H 04 R 17/00, 1968 г.

2. Патент США №3.949.349 по кл. H 04 R 17/00, 1974 г.

3 Патент США №4.633.119 по кл. H 04 R 17/00, 1986 г.

4. Патент США №3.281.770 по кл. H 04 R 17/00, 1966 г.

5. Патент России №2121771 по кл.6 H 04 R 1/44, 17/00, 1966 г.

6. Патент России №2.112.326 по кл. H 04 R 17/00, 1996 г.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию стержневых широкополосных преобразователей для антенн гидроакустических станций. Техническим результатом от использования изобретения является расширение рабочей полосы частот гидроакустического стержневого преобразователя при обеспечении минимальной неравномерности его частотной характеристики. Гидроакустический стержневой преобразователь содержит стержневой пьезоэлемент, переднюю и тыльную накладки, жесткую и гибкую пассивные вставки и армирующую стяжку, размещенные в герметичном корпусе. Передняя накладка выполнена как одно целое с гибкой пассивной вставкой, имеющей форму стакана, а жесткая пассивная вставка выполнена в виде диска как одно целое с дном стакана гибкой вставки. Армирующая стяжка жестко соединена с жесткой пассивной вставкой. Передняя часть корпуса выполнена в виде цилиндрической полости, заполненной водой, расположенной перед рабочей поверхностью передней накладки и имеющей квадратный фланец у своего выходного отверстия. Для получения дополнительных возможностей регулирования частотной характеристики в конструкцию преобразователя у выходного отверстия полости может быть добавлена металлическая пластина, механически развязанная от герметичного корпуса. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидроакустический стержневой преобразователь, содержащий стержневой пьезоэлемент, переднюю и тыльную накладки, гибкую и жесткую пассивные вставки и армирующую стяжку, размещенные в герметичном корпусе, причем передняя накладка выполнена как одно целое с гибкой пассивной вставкой, имеющей форму стакана, а армирующая стяжка жестко соединена с жесткой пассивной вставкой и дном гибкой пассивной вставки, отличающийся тем, что передняя часть корпуса выполнена в виде цилиндрической полости, расположенной перед рабочей поверхностью передней накладки и имеющей квадратный фланец у своего выходного отверстия, а жесткая пассивная вставка выполнена в виде диска как одно целое с дном стакана гибкой пассивной вставки.2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что собственная резонансная частота цилиндрической полости f_п связана с собственными резонансными частотами f₁ и f₂ гидроакустического преобразователя без цилиндрической полости соотношением

где h_п - длина полости, см.