ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ СТЕРЖНЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H04R17/00 H04R1/44 

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

При разработке стержневых пьезоэлектрических преобразователей (далее «стержневых преобразователей» или просто «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 заметно снижать КПД гидроакустического стержневого преобразователя.

Известна конструкция стержневого преобразователя [1], у которого акустическая развязка установлена между передней накладкой и корпусом, одновременно осуществляет функцию герметизации и выполнена в виде резиновой детали типа манжеты. При этом пьезокерамический стержневой 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 механические потери в резине приводят к снижению КПД.

Известна также конструкция стержневого преобразователя [2] с герметизирующей акустической развязкой подобного типа, но с заполнением объема корпуса электроизоляционной жидкостью и с компенсатором гидростатического давления. Такая конструкция обеспечивает прочность преобразователя и акустической развязки при высоких гидростатических давлениях. Однако недостатком ее являются нежелательные резонансы заполненного жидкостью корпуса, которые вызывают глубокие провалы на частотной характеристике в режимах приема и излучения, расположенные в области рабочих частот.

Известна конструкция по патенту США [3], в котором описана разгруженная конструкция стержневого преобразователя, аналогичного рассмотренному в [1], при этом виброизоляция передней накладки от корпуса осуществляется акустической развязкой, выполненной в виде многослойного бумажного пакета, малая жесткость которого обеспечивается за счет микрозазоров между слоями бумаги. Такая акустическая развязка, естественно, обладает нелинейными свойствами, т.к. с ростом давления микрозазоры между слоями уменьшаются. По утверждению авторов, она эффективно работает до гидростатического давления 30 кг/см². Этого явно недостаточно, кроме того, свойства такой бумажной акустической развязки могут изменяться со временем.

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

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является гидроакустический стержневой преобразователь по патенту [5]. Он состоит из пьезокерамического стержневого элемента, к которому крепятся две накладки, размещенного в герметичном заполненном газом корпусе, виброизоляция колебательной системы от 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 равномерном напряженном состоянии резины, реализуемом в замкнутом объеме, свойства резины (или другого полимера) не меняются, а механические потери в материале акустической развязки при этом минимальны.

Акустическую развязку, воспринимающую усилие от действия гидростатического давления, будем называть силовой акустической развязкой (CAP).

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

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

Широкополосные стержневые преобразователи характеризуются большим значением этого отношения: К_м≥10, вследствие чего при больших значениях Р_г в пьезокерамике могут развиться сжимающие осевые напряжения, которые приведут либо к ее разрушению, либо к потере чувствительности из-за деполяризации. Кроме того, гибкость такой акустической развязки может быть недостаточной для обеспечения виброизоляции в широкой полосе вследствие того, что на высоких частотах упругий модуль резины растет с увеличением частоты, а при работе на низких частотах для эффективной виброизоляции требуется слишком большой продольный размер акустической развязки.

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

Техническим результатом изобретения является обеспечение хорошей виброизоляции механической колебательной системы преобразователя от корпуса посредством силовой акустической развязки, эффективно работающей в широком диапазоне частот, не зависящей от величины гидростатического давления, обладающей малыми механическими потерями и приемлемыми конструктивными размерами.

Для достижения этих технических результатов в известную конструкцию гидроакустического стержневого преобразователя, содержащего пьезокерамический стержневой элемент с передней и тыльной накладками, герметично размещенный в прочном корпусе и виброизолированный от него акустической силовой развязкой, введены новые признаки, а именно:

Силовая акустическая развязка установлена у передней накладки и выполнена в виде отдельного конструктивного узла, имеющего форму толстостенного металлического кольца, в стенке которого имеется замкнутая полость, заполненная рабочей жидкостью (например, водой, маслом и т.п.).

В торце толстостенного металлического кольца со стороны передней накладки пьезокерамического стержневого элемента имеются соединенные с замкнутой полостью цилиндрические отверстия, герметично закрытые цилиндрическими поршнями, выступающими над поверхностью торца, установленными с возможностью осевого перемещения и снабженными кольцевыми резиновыми уплотнениями, размещенными в проточках на цилиндрических поверхностях поршней.

Герметичный прочный корпус выполнен из двух соосных труб разного диаметра, которые в месте расположения передней накладки соединены кольцевым фланцем, и силовая акустическая развязка своим торцом опирается на этот фланец, а выступающими цилиндрическими поршнями на противоположном торце контактирует с внутренней поверхностью передней накладки.

Упругая податливость (С_р) такой акустической развязки определяется формулой

где ρ и с - плотность и скорость звука для рабочей жидкости,

V - полный объем жидкости в полости,

S=N·S₁ - суммарная площадь поперечного сечения поршней (N - количество поршней, S₁ - площадь одного поршня).

Приведенное соотношение справедливо для любой конфигурации полости. Видно, что упругая податливость С_р (а значит, и виброизоляция) тем больше, чем меньше суммарная площадь поршней S. Однако эта площадь не может уменьшаться беспредельно, т.к. в конструкции преобразователя осуществляется трансформация внешнего гидростатического давления, определяемая соотношениями

где Р_ж - давление в жидкости, заполняющей полость;

Р_г - внешнее гидростатическое давление;

S_пн - площадь передней накладки;

Р_доп - допустимая по соображениям прочности величина давления в полости.

Пользуясь соотношениями (2) и (3), можно выбрать основные параметры конструкции CAP, а именно: S₁, N и V, таким образом, чтобы получить требуемое значение упругой податливости CAP, обеспечив ее прочность.

Установка силовой акустической развязки между передней накладкой и корпусом разгружает пьезоэлемент от действия гидростатического давления и, таким образом, устраняет один из основных недостатков прототипа.

Применение в качестве податливого элемента CAP жидкости вместо резины устраняет эффект уменьшения податливости CAP с частотой, снижает механические потери.

Для работы при максимальных гидростатических давлениях замкнутая полость может быть выполнена в виде цилиндрических камер, равномерно расположенных по средней окружности толстостенного металлического кольца параллельно его образующей, сообщающихся между собой с помощью каналов, причем необходимое количество этих камер имеют сквозные цилиндрические отверстия в торцевой поверхности со стороны передней накладки пьезокерамического стержневого элемента, закрытые выступающими над поверхностью цилиндрическими поршнями с кольцевыми резиновыми уплотнениями.

Для удобства заполнения замкнутой полости рабочей жидкостью в торцевой стенке толстостенного металлического кольца или в теле поршней предусмотрены резьбовые отверстия, закрытые пробками с герметичными резиновыми уплотнениями.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2 (а и б). На фиг.1 схематически изображена конструкция преобразователя. На фиг.2а и 2б показаны две предлагаемые конструкции силовой акустической развязки (п.п.1 и 2 формулы изобретения соответственно).

Гидроакустический стержневой преобразователь включает пьезокерамический стержневой элемент 1, соединенный с тыльной 2 и передней 3 накладками и герметично размещенный в прочном корпусе, состоящем из двух труб разного диаметра 4 и 5, соединенных кольцевым фланцем 6, и дна 7. Виброизоляция колебательной системы преобразователя (1, 2, 3) от корпуса (4-7) осуществляется с помощью силовой акустической развязки 8, установленной между свободной внутренней поверхностью передней накладки 3 и внутренней поверхностью кольцевого фланца 6 прочного корпуса.

Герметизация внутреннего объема корпуса обеспечивается кольцевыми уплотнениями 9 и 10. Кроме того, на фиг.1 показаны провода 11 и кабельный ввод 12, обеспечивающие электрическое соединение пьезоэлемента преобразователя 1 с аппаратной частью вне корпуса преобразователя.

Акустическая силовая развязка 8 выполнена в виде отдельного (самостоятельного) конструктивного узла, имеющего форму толстостенного кольца, содержащего замкнутую полость, целиком заполненную рабочей жидкостью.

В зависимости от формы полости можно получить разные варианты конструкции предлагаемой силовой акустической развязки, две из которых рассмотрены ниже.

На фиг.2а изображена силовая акустическая развязка, имеющая форму толстостенного металлического кольца 13, в стенке которого расположена полость 14 в виде кольцевой камеры, заполненной жидкостью. В торцевой стенке камеры, обращенной к передней накладке, выполнены цилиндрические отверстия 15, закрытые поршнями 16 с кольцевыми резиновыми уплотнениями 17. Объем полости, количество поршней и площадь их поперечного сечения выбираются с помощью соотношений 2 и 3, которые справедливы для частот, при которых линейные размеры полости много меньше длины волны звука в рабочей жидкости, что практически всегда соблюдается. Поршни равномерно распределены по окружности развязки, для обеспечения осесимметричных перемещений пьезокерамического стержневого элемента количество их должно быть не менее трех. Технологически описанную конструкцию удобно выполнять по высоте из двух свариваемых частей. В более толстой торцевой стенке камеры для увеличения полезного объема жидкости между отверстиями с поршнями могут быть сделаны дополнительные выборки.

На фиг.2б приведена вторая конструкция силовой развязки. Она отличается тем, что замкнутую полость образуют расположенные в стенке толстостенного металлического кольца 18 заполненные жидкостью цилиндрические камеры 19 и 20, расположенные симметрично по средней окружности толстостенного металлического кольца 18 параллельно его образующей, которые сообщаются между собой с помощью каналов 21. Камеры 20 имеют сквозные цилиндрические отверстия 22 в торцевой стенке, закрытые выступающими над поверхностью цилиндрическими поршнями 23 с кольцевыми резиновыми уплотнениями 24. Полный объем полости, количество и площадь поршней также выбираются с помощью соотношений 2 и 3. Благодаря радиальным перемычкам 25 между наружной и внутренней стенками кольца повышается прочность конструкции развязки. Такая конструкция также может изготавливаться из двух свариваемых по высоте частей.

Сравнивая конструкции приведенных на фиг.2а и 2б силовых акустических развязок, можно отметить, что вторая предпочтительнее для использования при больших гидростатических давлениях.

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 рабочей жидкостью, выполненной в виде отдельного элемента конструкции и установленной между передней накладкой преобразователя и фланцем корпуса (см.8, 3 и 6 на фиг.1), обеспечивается виброизоляция механической колебательной системы преобразователя от корпуса в широком диапазоне частот и при высоких гидростатических давлениях. Малая величина потерь в рабочей жидкости CAP обеспечивает высокий КПД гидроакустического стержневого преобразователя. Благодаря применению рабочей жидкости в качестве податливого элемента CAP обеспечивается отсутствие зависимости податливости CAP от частоты.

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

Работа преобразователя осуществляется следующим образом. В режиме излучения электрические сигналы от генератора поступают через кабель, кабельный ввод и соединительные провода на электроды пьезокерамического стержневого пьезоэлемента, при этом возбуждаются его продольные колебания, которые передаются передней накладке и окружающей рабочей среде. Вследствие наличия силовой акустической развязки 8 эти колебания в широком диапазоне рабочих частот практически не передаются 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 корпуса, однако из-за наличия силовой акустической развязки 8 на пьезоэлемент 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 боковых максимумов.

Следует отметить, что уменьшение поперечных размеров в направлении от передней рабочей поверхности к дну корпуса позволяет использовать заявляемый преобразователь не только в плоских, но и в цилиндрических и сферических антеннах малого диаметра (менее четырех длин преобразователя).

Наличие воздуха внутри корпуса и виброизоляция колебательной системы от корпуса позволяют получать направленные излучение и 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 №4219889 по кл. H 04 R 17/00, 1980 г.

4. Патент Великобритании №1363771 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 широкополосным стержневым пьезоэлектрическим преобразователям. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности эффективной работы в широком диапазоне частот при высоких гидростатических давлениях. Гидроакустический стержневой преобразователь содержит пьезокерамический стержневой элемент с двумя накладками, герметично размещенный в прочном корпусе и виброизолированный от него силовой акустической развязкой, которая установлена у передней накладки и выполнена в виде отдельного конструктивного узла, имеющего форму толстостенного металлического кольца, в стенке которого имеется замкнутая полость произвольной формы, заполненная рабочей жидкостью. На одном из торцов толстостенного кольца выполнены цилиндрические отверстия, сообщающиеся с полостью и закрытые подвижными цилиндрическими поршнями, выступающими над поверхностью торца и имеющими герметизирующие кольцевые резиновые уплотнения. Прочный корпус выполнен из двух соосных металлических труб разного диаметра, у передней (излучающей) накладки соединенных кольцевым металлическим фланцем, на который опирается торец акустической развязки. Выступающие поршни развязки контактируют с внутренней поверхностью передней накладки. Приведены два варианта выполнения силовой акустической развязки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидроакустический стержневой преобразователь, содержащий пьезокерамический стержневой элемент с передней и тыльной накладками, размещенный в герметичном прочном корпусе и виброизолированный от него силовой акустической развязкой, отличающийся тем, что силовая акустическая развязка установлена у передней накладки и выполнена в виде отдельного конструктивного узла, имеющего форму толстостенного металлического кольца, в стенке которого расположена замкнутая полость, заполненная рабочей жидкостью, при этом в торце толстостенного металлического кольца со стороны передней накладки пьезокерамического стержневого элемента имеются соединенные с замкнутой полостью цилиндрические отверстия, герметично закрытые цилиндрическими поршнями, выступающими над поверхностью торца, установленными с возможностью осевого перемещения и снабженными кольцевыми резиновыми уплотнениями, размещенными в проточках на цилиндрических поверхностях поршней, а герметичный прочный корпус выполнен из двух соосных труб разного диаметра, которые в месте расположения передней накладки соединены кольцевым фланцем, и силовая акустическая развязка своим торцом опирается на этот фланец, а выступающими цилиндрическими поршнями на противоположном торце контактирует с внутренней поверхностью передней накладки, при этом площадь поперечного сечения одного поршня, количество поршней и величину объема замкнутой полости определяют с помощью соотношений

S₁N=P_г·S_пн/P_доп;

V=C_p·ρ·c²·(S₁N)²,

где С_р - требуемая величина упругой податливости силовой акустической развязки;

ρ и с - плотность и скорость звука для рабочей жидкости;

S₁ - площадь поперечного сечения одного поршня;

N - число поршней;

V - полный объем замкнутой полости силовой акустической развязки;

Р_г - величина внешнего гидростатического давления;

S_пн - площадь наружной поверхности передней накладки преобразователя;

Р_доп - допустимая величина давления в рабочей жидкости, определяемая прочностью силовой акустической развязки.