ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАЯКА-ОТВЕТЧИКА Российский патент 2008 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к маякам-ответчикам (МО) станций наведения судов, станций звукоподводной связи или другим приемоизлучающим гидроакустическим системам подобного назначения.

Конструкция МО представляет собой малогабаритную гидроакустическую (ГА) станцию переносного типа, работающую в режимах приема и излучения ответных сигналов. Преобразователи МО должны работать, как правило, в диапазоне рабочих частот 5-30 кГц и расстояний 0-20 км. Для повышения помехоустойчивости его характеристика направленности должна быть ориентирована во фронтальное полупространство, а для увеличения дальности действия в случае, когда горизонтальное расстояние существенно больше глубины моря, максимум характеристики направленности должен соответствовать горизонтальным углам скольжения. Объясняется это тем, что на больших по сравнению с глубиной моря расстояниях канализируется только та часть энергии излучения, которая соответствует сектору углов скольжения ±30°, тогда как остальная часть излучения уходит в грунт. Кроме того, при частых подъемах изделий на поверхность, а также при включении аппаратуры перед сбрасыванием в воду возникает ситуация, когда преобразователь принимает запросный сигнал и излучает ответный, находясь в воздухе, либо на границе вода-воздух.

Известен преобразователь сферической конструкции [1]. Преобразователь представляет собой сферический элемент из пьезокерамики, на активную поверхность которого нанесен армирующий слой. Слой выполнен из никеля, нанесенного методом электроосаждения в хлоридной ванне, благодаря чему создается значительное механическое упрочнение.

Недостатками этой конструкции являются большие технические и технологические трудности такого рода армирования. Кроме того, использование ненаправленного сферического преобразователя связано с необходимостью применения тыльной экранировки, что существенно увеличивает его массогабаритные параметры, а при работе на больших, по сравнению с глубиной моря, расстояниях такой преобразователь становится неэффективным.

Известен гидроакустический преобразователь маяка-ответчика [2], содержащий пьезокерамический элемент с герметизирующим слоем на его активной поверхности. Пьезокерамический элемент имеет форму полусферы диаметром D=(1.3-1.9)λ_с, где λ_с - длина волны в воде на средней частоте рабочего диапазона, и снабжен плоским жестким основанием, которое герметично соединено с полусферой по наружному диаметру через механическую развязку, а по центру - стяжкой с ее полюсом. Герметизирующий слой на активной поверхности выполнен из материала с акустическим сопротивлением (ρс)_сл=(1.6-2) 10⁶ кг/м²с и толщиной δ=λ_сл(2n+1)/4, где n=0, 1, 2, λ_сл - длина волны в слое на рабочей частоте.

При таком исполнении происходит нагрузка преобразователя маяка-ответчика на указанный слой акустически податливого материала, благодаря чему изменение акустического сопротивления среды излучения не приводит к заметному изменению электрического сопротивления, а следовательно, и механической прочности преобразователя. Выполнение пульсирующего преобразователя в виде полусферы исключает его работу в тыльном полупространстве, благодаря чему отпадает необходимость в создании дорогостоящего экрана.

Указанный гидроакустический преобразователь МО по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому изобретению и принят за прототип.

Недостатком такого гидроакустического преобразователя маяка-ответчика является низкая чувствительность в горизонтальном направлении, которая на 6-10 дБ меньше, чем в вертикальном направлении, вследствие чего уменьшается дальность действия МО в случае, когда горизонтальное расстояние существенно больше глубины моря, например при работе на шельфе, когда горизонтально ориентированные лучи становятся доминирующими в суммарном звуковом поле.

Задачей настоящего изобретения является создание гидроакустического преобразователя маяка-ответчика такой конструкции, которая обеспечила бы увеличение дальности действия гидроакустического преобразователя маяка-ответчика и МО в целом за счет повышения его чувствительности в горизонтальном направлении в случае, когда горизонтальное расстояние существенно больше глубины моря.

Для решения поставленной задачи в гидроакустическом преобразователе маяка-ответчика, содержащем пьезокерамический элемент с герметизирующим слоем на активной поверхности, выполненным из материала с (ρс)_сл=(1.6-2) 10⁶ кг/м²с (где ρ_сл, c_сл - плотность и скорость звука в материале слоя), и корпус, пьезокерамический элемент выполнен в виде вертикального набора пьезокерамических шайб и жестко связанных с ними торцевых накладок, стянутых армирующей шпилькой, фронтального и тыльного жестких экранов, соединенных с торцевыми накладками через гибкие пружины, фронтального и тыльного гибких экранов, соединенных жестко с соответствующими фронтальным и тыльным жесткими экранами, фронтальной и тыльной крышек, соединенных с соответствующими фронтальным и тыльным гибкими экранами, которые помещены в корпус, причем последний выполнен цилиндрическим и снабжен тыльным фланцем, в теле цилиндрического корпуса выполнены горизонтально ориентированные вырезы, расположенные между торцевыми накладками и фронтальным и тыльным жесткими экранами, закрытые снаружи цилиндрического корпуса герметизирующим резиновым чехлом, в качестве герметизирующего слоя используется залитая в цилиндрический корпус компенсирующая внешнее давление изолирующая жидкость с волновым сопротивлением (ρс)_сл=1.5·10⁶ кг/м²с, причем между боковой поверхностью пьезокерамического элемента и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса помещен звукоизолирующий экран из гибкого материала, расстояние по вертикали между горизонтально ориентированными вырезами и расстояние между центром пьезокерамического элемента и тыльным фланцем равно половине длины волны в рабочей среде на рабочей частоте.

Звукоизолирующий экран выполнен из гибкого материала, например из жесткого пенопласта.

Частотопонижающие накладки, фронтальный и тыльный жесткие экраны выполнены, например, из стали.

Корпус гидроакустического преобразователя МО заполнен изолирующей жидкостью, например трансформаторным или силиконовым маслом.

В заявляемом гидроакустическом преобразователе маяка-ответчика общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- пьезокерамический элемент;

- с герметизирующим слоем на активной поверхности, выполненным из материала с (ρс)_сл=(1.6-2)·10⁶ кг/м²с (где ρ_сл, c_сл - плотность и скорость звука в материале слоя);

- корпус.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого гидроакустического преобразователя МО и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- пьезокерамический элемент выполнен в виде вертикального набора пьезокерамических шайб и жестко связанных с ними торцевых накладок, стянутых армирующей шпилькой;

- фронтальный и тыльный жесткие экраны, соединенные с торцевыми накладками через гибкие пружины;

- фронтальный и тыльный гибкие экраны, соединенные жестко с соответствующими фронтальным и тыльным жесткими экранами;

- фронтальной и тыльной крышек, соединенных с соответствующими фронтальным и тыльным гибкими экранами;

- пьезокерамический элемент, накладки, жесткие и гибкие экраны помещены в корпус;

- корпус выполнен цилиндрическим и снабжен тыльным фланцем;

- в теле корпуса выполнены горизонтально ориентированные вырезы, расположенные между торцевыми накладками и фронтальным и тыльным жесткими экранами, и закрыты снаружи цилиндрического корпуса герметизирующим резиновым чехлом;

- в качестве герметизирующего слоя используется залитая в цилиндрический корпус компенсирующая внешнее давление изолирующая жидкость;

- между боковой поверхностью пьезокерамического элемента и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса помещен звукоизолирующий экран из гибкого материала;

- расстояние по вертикали между горизонтально ориентированными вырезами и расстояние между центром пьезокерамического элемента и тыльным фланцем равно половине длины волны в рабочей среде на рабочей частоте.

В заявляемой конструкции гидроакустического преобразователя МО его пьезоактивный элемент выполнен стержневым, склеенным из пьезокерамических шайб, торцы которого жестко соединены с частотопонижающими накладками армирующей шпилькой. Масса накладок подбирается такой, чтобы эффективная скорость звука в пьезокерамическом стержневом элементе с накладками равнялась скорости звука в воде. Вырезы в корпусе, закрытые снаружи корпуса герметизирующим резиновым чехлом, играют роль звукопрозрачных окон, через которые излучение выводится во внешнюю среду. В такой конструкции гидроакустического преобразователя МО гибкие пружины играют роль акустических развязок, включенных между частотопонижающими накладками и двухслойными экранами, каждый из которых состоит в свою очередь из жесткого и гибкого экранов, экранирующих излучение в вертикальном направлении. Корпус гидроакустического преобразователя МО заполнен изолирующей жидкостью, например трансформаторным или силиконовым маслом, компенсирующей внешнее давление и играющей роль герметизирующего слоя, волновое сопротивление которого близко к волновому сопротивлению воды.

Таким образом, данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого гидроакустического преобразователя МО позволила увеличить его дальность действия.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявляемого изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу.

Следовательно, заявляемое изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для использования.

Заявленный гидроакустический преобразователь МО поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схематическая конструкция гидроакустического преобразователя МО, на фиг.2 - характеристика направленности гидроакустического преобразователя МО в вертикальной плоскости, на фиг.3 - частотная характеристика чувствительности гидроакустического преобразователя МО в режиме излучения.

Гидроакустический преобразователь МО содержит стержневой пьезокерамический элемент 1 и жестко связанные с ним торцевые фронтальную и тыльную частотопонижающие накладки 2, стянутые армирующей шпилькой 3, фронтальный и тыльный жесткие экраны 4, соединенные с торцевыми накладками 2 через гибкие пружины 5, фронтальный и тыльный гибкие экраны 6, соединенные жестко с соответствующими фронтальным и тыльным жесткими экранами 4, фронтальную и тыльную крышки 7. Пьезокерамический элемент 1, накладки 2, жесткие экраны 4, гибкие экраны 6 и крышки 7 помещены в цилиндрический корпус 8, снабженный тыльным фланцем 9. В корпусе 8 помещены также масленка 10 и разъем 11. Между боковой поверхностью пьезокерамического элемента 1 и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 8 помещен звукоизолирующий экран 12 из гибкого материала. Снаружи корпуса 8 размещен герметизирующий резиновый чехол 13. В теле корпуса 8 выполнены горизонтально ориентированные вырезы 14, которые расположены между торцевыми накладками 2 и фронтальным и тыльным жесткими экранами 4, и закрыты снаружи цилиндрического корпуса герметизирующим резиновым чехлом 13. В качестве герметизирующего слоя используется залитая в цилиндрический корпус 8 компенсирующая внешнее давление изолирующая жидкость. Расстояние по вертикали между горизонтально ориентированными вырезами 14 и расстояние между центром пьезокерамического элемента 1 и тыльным фланцем 9 равно половине длины волны в рабочей среде на рабочей частоте.

Гидроакустический преобразователь МО работает следующим образом.

При возбуждении стержневого пьезокерамического элемента 1 на продольной моде колебаний его торцевые накладки 2 возбуждают радиальные колебания в объеме рабочей среды, расположенной между торцевыми накладками 2 и фронтальным и тыльным жесткими экранами 4, а радиальные колебания объема рабочей среды излучаются через звукопрозрачные окна во внешнюю среду. При этом противофазное излучение боковой поверхности стержневого пьезокерамического элемента 1 экранируется звукоизолирующим гибким экраном 12. Вертикальное излучение торцевых накладок 2 частично экранируется во фронтальном направлении фронтальным двухслойным экраном, состоящим из жесткого экрана 4 и гибкого экрана 6, и фронтальной крышкой 7. В тыльном направлении - тыльным двухслойным экраном, состоящим из фронтального жесткого экрана 4 и фронтального гибкого экрана 6, тыльной крышкой 7 и тыльным фланцем 9. По существу такой гидроакустический преобразователь является двухщелевым синфазным излучателем пульсирующего типа, максимум характеристики направленности которого соответствует горизонтальному направлению. В предлагаемой конструкции гидроакустического преобразователя расстояние L₁ между щелевыми излучателями и расстояние L₂ между центром пьезокерамического элемента 1 и тыльным фланцем 9 равно половине длины волны во внешней среде на рабочей частоте. При выполнении этого условия характеристика направленности гидроакустического преобразователя в вертикальной плоскости описывается приближенным выражением

Φ(β)=cos(0.5πsinβ)cos(πsinβ),

где β - угол скольжения, причем основное излучение локализовано в секторе углов скольжения β=±30°, а максимум характеристики направленности соответствует горизонтальному излучению.

Экспериментальная характеристика направленности гидроакустического преобразователя МО в вертикальной плоскости поясняется фиг.2 на частоте продольного резонанса стержневого пьезоэлемента, причем уровень фронтального излучения на 5-6 дБ меньше уровня горизонтального излучения, а уровень тыльного излучения на 10 дБ меньше фронтального. Частотная характеристика чувствительности гидроакустического преобразователя МО в режиме излучения поясняется фиг.3, причем первый резонанс соответствует частоте продольного резонанса стержневого пьезоэлемента.

Таким образом, разработанный гидроакустический преобразователь МО решает поставленную задачу. Его направленные свойства обеспечивают максимум чувствительности в горизонтальном направлении, достаточную для работы на малых расстояниях чувствительность во фронтальном направлении и эффективную экранировку в тыльном направлении. Эти свойства позволяют в совокупности значительно повысить дальность действия гидроакустического преобразователя и МО в целом в условиях, когда горизонтальное расстояние существенно превосходит глубину моря, например, на шельфе. Наличие герметизирующего слоя на активной поверхности пьезоэлемента, роль которого выполняет жидкостное заполнение корпуса гидроакустического преобразователя, приводит к тому, что изменение акустического сопротивления внешней среды не приводит к заметному изменению электрического сопротивления, а следовательно, и механической прочности гидроакустического преобразователя МО.

Источники информации

1. Патент США №3317762, Н04R 1/44, 1967 г.

2. Патент Российской Федерации №2044411, МПК 6 Н04R 1/44, 15.02.1993 г., «Гидроакустический преобразователь маяка-ответчика» - прототип.

В цилиндрическом корпусе гидроакустического преобразователя маяка-ответчика помещены стержневой пьезокерамический элемент 1 и жестко связанные с ним торцевые фронтальная и тыльная частотопонижающие накладки 2, стянутые армирующей шпилькой 3, фронтальный и тыльный жесткие экраны 4, соединенные с торцевыми накладками 2 через гибкие пружины 5, фронтальный и тыльный гибкие экраны 6, соединенные жестко с соответствующими фронтальным и тыльным жесткими экранами 4, фронтальная и тыльная крышки 7. Цилиндрический корпус 8 снабжен тыльным фланцем 9. В корпусе 8 помещены также масленка 10 и разъем 11. Между боковой поверхностью пьезокерамического элемента 1 и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 8 помещен звукоизолирующий экран 12 из гибкого материала. Снаружи корпуса 8 помещен герметизирующий резиновый чехол 13. В теле корпуса 8 выполнены вырезы 14, закрытые чехлом 13. В качестве герметизирующего слоя использована залитая в корпус 8 изолирующая жидкость. Расстояние по вертикали между вырезами 14 и расстояние между центром пьезокерамического элемента 1 и тыльным фланцем 9 равно половине длины волны в рабочей среде на рабочей частоте. Техническим результатом изобретения является увеличение дальности действия. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гидроакустический преобразователь маяка-ответчика, содержащий пьезокерамический элемент с герметизирующим слоем на активной поверхности, выполненным из материала с (ρс)_сл=(1.6-2) 10⁶ кг/м2с, (где ρ_сл, c_сл, - плотность и скорость звука в материале слоя), и корпус, отличающийся тем, что пьезокерамический элемент выполнен в виде вертикального набора пьезокерамических шайб и жестко связанных с ними торцевых накладок, стянутых армирующей шпилькой, фронтального и тыльного жестких экранов, соединенных с торцевыми накладками через гибкие пружины, фронтального и тыльного гибких экранов, соединенных жестко с соответствующими фронтальным и тыльным жесткими экранами, фронтальной и тыльной крышек, соединенных с соответствующими фронтальным и тыльным гибкими экранами, которые помещены в корпус, причем последний выполнен цилиндрическим и снабжен тыльным фланцем, в теле цилиндрического корпуса выполнены горизонтально ориентированные вырезы, расположенные между торцевыми накладками и фронтальным и тыльным жесткими экранами, закрытые снаружи цилиндрического корпуса герметизирующим резиновым чехлом, в качестве герметизирующего слоя используется залитая в цилиндрический корпус компенсирующая внешнее давление изолирующая жидкость, причем между боковой поверхностью пьезокерамического элемента и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса помещен звукоизолирующий экран из гибкого материала, расстояние по вертикали между горизонтально ориентированными вырезами и расстояние между центром пьезокерамического элемента и тыльным фланцем равно половине длины волны в рабочей среде на рабочей частоте.2. Гидроакустический преобразователь маяка-ответчика по п.1, отличающийся тем, что звукоизолирующий экран выполнен из гибкого материала, например, из жесткого пенопласта.3. Гидроакустический преобразователь маяка-ответчика по п.1, отличающийся тем, что частотопонижающие накладки, фронтальный и тыльный жесткие экраны выполнены из стали.4. Гидроакустический преобразователь маяка-ответчика по п.1, отличающийся тем, что корпус заполнен изолирующей жидкостью, в качестве которой используют трансформаторное или силиконовое масло.