ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОДНЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию направленного волноводного преобразователя, способного работать в полосе частот для гидроакустических средств различного назначения, в том числе и буксируемых, в качестве антенн систем: гидролокации, связи, навигации, профилирования, акустической томографии, подсветки подводной обстановки и т.д.

Известен гидроакустический излучатель, содержащий стержневой пьезоэлемент с накладками, армированный шпилькой, где тыльная накладка используется для понижения резонансной частоты излучателя, а фронтальная - для излучения в рабочую среду [1]. Недостатками такого излучателя являются малая мощность, низкая чувствительность и электроакустический к.п.д., слабая направленность, узкая полоса рабочих частот.

Известен гидроакустический направленный преобразователь SEFAR, в котором, в отличие от известного преобразователя [1], передняя коническая накладка заменена упругим ребристым стержневым волноводом из латуни [2, 3]. Ребристый стержневой волновод является основной частью излучателя и возбуждается пьезокерамическим титанато-бариевым четверть волновым цилиндром. Волновод обеспечивает лучшее согласование преобразователя со средой, осевую направленность. Недостатками излучателя являются: большие массогабаритные параметры волновода, узкая полоса рабочих частот, ограничения по излучаемой мощности, высокий уровень тыльного излучения, неэффективная система возбуждения.

Известен другой тип преобразователей, по физическому принципу действия относящийся к волноводным излучателям [4]. Данный волноводный преобразователь содержит набор N расположенных соосно, идентичных пьезоэлектрических колец с акустически гибкими прокладками между их торцами, акустический экран, расположенный на внешней поверхности колец, генератор сигналов, фильтр с регулируемым коэффициентом передачи, электронную систему управления распределением амплитуд и фаз по элементам преобразователя. Цилиндрический волновод, в котором возбуждается бегущая в двух противоположных направлениях волна, образуется внутренней полостью системы пьезоколец, заполненных жидкостью; за счет некогерентного сложения акустических волн, бегущих в обратном направлении, достигается однонаправленность излучения через один из торцов. В цепь возбуждения введен фильтр, позволяющий существенно расширить полосу пропускания.

Недостатками преобразователя являются: потенциально низкая излучаемая мощность, обусловленная значительно меньшей прочностью жидкости, по сравнению с твердым материалом волновода, слабая направленность, невысокие электроакустический к.п.д. и чувствительность; сложность изготовления и настройки системы возбуждения и фазирования колец; высокая стоимость и низкая надежность.

Известен гидроакустический направленный цилиндрический волноводный преобразователь, который по совокупности признаков, технической сущности и по достигаемому техническому результату наиболее близок к предлагаемому изобретению, выбран за прототип [5].

Преобразователь-прототип конструктивно прост и состоит из армированного стержневого пьезопакета и упругого цилиндрического волновода из эбонита, обеспечивающего осевое излучение. Принцип действия волноводного преобразователя основан на том, что звуковое поле формируется вытекающей упругой волной, распространяющейся с фазовой скоростью с, превышающей скорость звука в жидкости с₀, тогда ее энергия излучается через боковую поверхность волновода в окружающую среду под определенным углом ,

где α - радиус цилиндрического волновода, ϖ - рабочая частота [5].

Из уровня техники известно, что наличие упругого цилиндрического волновода в конструкции дает известному преобразователю целый ряд преимуществ: высокие чувствительность, электроакустический к.п.д., излучаемую мощность, обеспечивает формирование направленных акустических полей с низким уровнем боковых лепестков при лучших массогабаритных параметрах излучающей структуры. Известный волноводный преобразователь является обратимым, демонстрирует высокую помехоустойчивость к изотропной помехе и низкий уровень гидродинамических шумов, возникающих при буксировке данного преобразователя [5].

Недостатками преобразователя являются: невозможность формирования узких осевых диаграмм направленности шириной менее 45º, ограниченная механическая прочность волновода из эбонита, особенно проявляющаяся при необходимости проектирования антенн низкочастотного диапазона.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в разработке конструкции обратимого гидроакустического волноводного направленного преобразователя, характеризующегося требуемой высокой направленностью, повышенной механической прочностью, уменьшенными массогабаритными характеристиками.

Техническим результатом заявляемого устройства является улучшение технических характеристик преобразователя: достижение более узких диаграмм направленности, высокой чувствительности, мощности излучения, повышение прочности, надежности его конструкции, наряду с уменьшением габаритных характеристик волновода.

Для решения поставленной задачи предлагается гидроакустический направленный волноводный преобразователь, содержащий изолированный от внешней среды газозаполненный прочный корпус, в котором размещен активный элемент, состоящий из пакета пьезошайб продольной поляризации, электрически соединенных параллельно, собранный на стягивающей шпильке, размещенный между армирующими ограничительными шайбами и затянутый гайкой; корпус преобразователя нагружен на цилиндрический волновод через крепежно-герметизирующую накладку в форме стакана, обеспечивающую одновременно жесткую стыковку пьезопакета с упругим цилиндрическим волноводом и гибкое соединение с прочным корпусом. При этом в конструкцию упругого цилиндрического волновода введены новые признаки, а именно он выполнен композитным, представляющим собой периодическую мелкослоистую структуру в виде одинаковых звеньев равной толщины h=h₁+h₂, где h₁ и h₂ - толщины слоев однородных материалов, из которых состоит композит, например, из эбонита и латуни с относительной толщиной слоя последней $${\tilde{h}}_2=(0.1-0.15)$$ , где $${\tilde{h}}_2=h_2/(h_1-h_2)$$ .

Кроме того, указанная задача решается тем, что ориентация звеньев перпендикулярна оси волновода, а также тем, что волновод армирован тонкими упругими стержнями, например, из титана.

Известно, что в композитных слоистых материалах даже малые изменения объемных концентраций компонентов, характеризующихся параметром $${\tilde{h}}_2$$ , или их акустических параметров, а также ориентация композита в акустическом поле позволяют существенно расширить диапазон величин их эффективных или усредненных акустических характеристик, таких как плотность, скорости продольных и поперечных волн соответственно, $${\tilde{\rho }}_{эф}$$ , $${\widetilde{С}}_l$$ , $${\widetilde{С}}_t$$ [6-7]. Как следует из выражения (1), для получения более узких, с шириной (20-30)º, характеристик направленности, фазовая скорость распространения волны должна быть замедлена до величины с_φ≈(1505-1550) м/с. Проведенными расчетами показано и опытным путем подтверждено, что указанное замедление фазовой скорости достигается при перпендикулярной ориентации слоев композитного материала относительно оси волновода, а величина скорости зависит от рабочей частоты, геометрии волновода, от влияния системы армирования и акустической нагрузки.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами и схемами, представленными на фиг.1-5:

- на фиг.1 представлена схематическая конструкция предлагаемого гидроакустического волноводного направленного преобразователя;

- на фиг.2 представлена зависимость фазовой скорости в композитных волноводах, изготовленных из эбонита и металла, от толщины слоя последнего для разных металлов: латуни, стали, алюминия, кривые 1, 2, 3 соответственно.

- на фиг.3 показана расчетная дисперсионная зависимость фазовой скорости в композитном волноводе, из эбонита и латуни, погруженном в жидкость, от безразмерного частотного параметра $$\widetilde{х}$$ для разного объемного состава: $${\tilde{h}}_2=0.12$$ (кривая 3), $${\tilde{h}}_2=0.1$$ (кривая 2), а также композита (кривая 1) с относительным объемным содержанием латуни $${\tilde{h}}_2=0.1$$ , армированного тонкими титановыми стержнями с объемным содержанием $$\nu =\raisebox{1ex}{$s_m$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$s_{в}$}\right.=0.04$$ , где s_m, s_в соответственно поперечное сечение стержней и волновода;

- на фиг.4 показана частотная зависимость коэффициента радиационного затухания в армированном волноводе, изготовленном из эбонита - латуни при $${\tilde{h}}_2=0.1$$ ;

- на фиг.5 приведены диаграммы направленности макетов волноводного преобразователя с различными волноводами: а) изготовлен из эбонита, б) композитный волновод изготовлен из эбонита и латуни на частотах: 3200 Гц (кривая 1), 2500 Гц (кривая 2), 2200 Гц (кривая 3).

Математическими расчетами, основанными на теории мелкослоистых периодических анизотропных композиционных сред и волноводного распространения звука [5-6], найдено, что оптимальный состав композита, обеспечивающий указанную величину с_φ, представляет собой структуру из эбонита и латуни с толщиной слоя латуни $${\tilde{h}}_2=0.1$$ (табл., фиг.2).

Впервые обнаружено, что улучшение технических характеристик преобразователя - достижение более узких диаграмм направленности и высокой чувствительности - возможно за счет замены материала, из которого изготовлен волновод, что подтверждается данными таблицы и иллюстрируется кривыми 1-3 (фиг.2), которые показывают зависимость фазовой скорости от относительной толщины металлического слоя волновода. Приведенные данные свидетельствуют о том, что мелкослоистый двухкомпонентный ортотропный композитный материал найденного оптимального состава обладает акустическими параметрами, позволяющими снизить стержневую скорость с (1685-1715) м/с (волновод-прототип) до величины 1489 м/с (заявленный волновод) заменой эбонита в волноводе-прототипе на композитный материал, а именно эбонит - латунь при толщине слоя латуни $${\tilde{h}}_2=\left(0.1-0.15\right)$$ , выбираемой в зависимости от заданной ширины диаграммы направленности и требуемой прочности волновода. Армирование композитного волновода тонкими упругими стержнями, например, из титана, увеличивает его упругость и повышает фазовую скорость до требуемой величины с_φ≈(1505-1550) м/с в области выбранных рабочих значений частотного параметра $$\tilde{x}=\raisebox{1ex}{$a\varpi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\tilde{c}}_t$}\right.$$ , когда волна становится вытекающей. Последнее подтверждают расчетные данные дисперсионной зависимости фазовой скорости от безразмерного частотного параметра $$\tilde{x}$$ в композитном волноводе, $$\tilde{x}=\raisebox{1ex}{$a\varpi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\tilde{c}}_t$}\right.$$ и погруженном в жидкость, для разного объемного состава (фиг.3): $${\tilde{h}}_2=0.12$$ (кривая 3), $${\tilde{h}}_2=0.1$$ (кривая 2), а также композита (кривая 1) с относительным содержанием латуни $${\tilde{h}}_2=0.1$$ , который армирован тонкими титановыми стержнями с объемным содержанием $$\nu =\raisebox{1ex}{$s_m$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$s_{в}$}\right.=0.04$$ , где s_m, s_в - соответственно суммарное поперечное сечение армирующих стержней и волновода. Улучшение габаритных характеристик волновода, сокращение его длины, за счет использования мелкослоистого композиционного материала при изготовлении волновода, подтверждается данными частотной зависимости радиационного коэффициента затухания (фиг.4). Представленные данные подтверждают более эффективное излучение энергии бегущей волны в жидкость, чем в волноводе, изготовленном из эбонита того же радиуса. Отрицательным свойством композитного материала является то, что он имеет более высокую, чем эбонит, плотность, на это указывают данные таблицы. Однако это не приводит к увеличению массы заявляемого преобразователя по сравнению с прототипом, так как он имеет меньшую длину и радиус волновода. Как показывают сравнительные вычисления массогабаритных параметров волноводов, выполненные по данным фиг.4, таблицы и работы [5], рассчитанных на одинаковую рабочую частоту при равных значениях безразмерного частотного параметра $$\tilde{x}$$ и заданных уровнях боковых лепестков, длина волновода заявляемого преобразователя, выполненного из композита, сотоящего из эбонита и латуни с объемным содержанием $${\tilde{h}}_2=0.1$$ , в 1,25 раз меньше, радиус в 1,2 раза меньше, масса в 1,14 раза меньше, чем у преобразователя-прототипа. Кроме того, при этом улучшаются следующие технические характеристики преобразователя: повышается механическая прочность, уменьшается ширина диаграммы направленности с 45° до (20-25)°, увеличивается чувствительность не только за счет сужения диаграммы направленности, но и благодаря лучшему согласованию пьезопакета с композитным волноводом, имеющем более высокое, чем волновод из эбонита, удельное сопротивление (соответственно $$2,8\cdot {10}^6\raisebox{1ex}{$кг$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${м}^2с$}\right.$$ и $$2,02\cdot {10}^6\raisebox{1ex}{$кг$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${м}^2с$}\right.$$ ).

Отличительными признаками заявленного гидроакустического направленного волноводного преобразователя являются:

- изготовление волновода из композитного мелкослоистого материала, представляющего собой периодическую мелкослоистую среду в виде одинаковых звеньев равной толщины h=h₁+h₂, где h₁ и h₂ - толщины слоев однородных материалов, из которых состоит композит, например, из эбонита и латуни, с относительной толщиной последней, где $${\tilde{h}}_2=h_2/(h_1+h_2)$$ ,

- расположение звеньев мелкослоистого композитного материала перпендикулярно оси волновода. Такой композитный волновод обеспечивает необходимое для получения узких диаграмм направленности замедление фазовой скорости нормальной волны и уменьшение размеров волновода,

- армирование волновода тонкими упругими стержнями, увеличивающими механическую прочность преобразователя и повышающими величину фазовой скорости до требуемой величины.

Введение каждого нового отличительного признака в совокупности с известными существенными признаками преобразователя-прототипа обеспечивает решение поставленной задачи, а именно: разработана конструкция обратимого гидроакустического волноводного направленного преобразователя, характеризующегося более высокой направленностью, чувствительностью, уменьшенными массогабаритными характеристиками и обладающего повышенной механической прочностью.

Конструктивно гидроакустический волноводный направленный излучатель прост и представляет собой стержневой активный элемент - пьезопакет 4, нагруженный на цилиндрический композитный мелкослоистый армированный волновод из эбонита - латуни 1. Активный элемент изолирован от внешней среды прочным корпусом 2 с крышкой 3. Стержневой активный элемент 4, состоящий из пьезошайб продольной поляризации, электрически соединенных параллельно и возбуждаемых синфазно, собран на шпильке 7 с центрирующей втулкой 8 между армирующими ограничительными шайбами 5 и 6 и затянут гайкой 10. Между пьезопакетом 4 и волноводом 1 располагается цилиндрическая крепежно-герметизирующая накладка в форме стакана 9, обеспечивающая жесткую стыковку пьезопакета 4 с волноводом 1 и гибкую с прочным корпусом 2. Накладка 9 соединяется с волноводом 1 клеевым швом 17 и стяжкой болтами 20 с заполнением резьбового соединения клеем. Пьезопакет жестко пристыковывается к волноводу через накладку 9 с помощью клеевых соединений, усиленных резьбовым соединением на конце армирующей шпильки 7 преобразователя. После стыковки преобразователя с волноводом устанавливается прочный корпус 2. Герметизирующие гибкие кольца 14 и прокладка 18 служат для акустической развязки между корпусом и волноводом. С тыльной стороны корпуса на хвостовик армирующей шпильки 7 устанавливается центрирующий диск 12, который упирается в ступеньку на стенке корпуса и с помощью гайки 13 фиксирует преобразователь внутри корпуса, одновременно центрируя его положение относительно продольной оси. Акустическая развязка диска 12 от корпуса обеспечивается гибкими кольцами 15. На центрирующем диске установлены электрические провода 11, через которые обеспечивается электрическое соединение пьезопакета с кабелем. Торец прочного корпуса герметично закрывается крышкой 3, которая уплотняется гибким кольцом 16. Корпус и основание волновода заливаются эластичным компаундом, который формирует цилиндрический защитный чехол 19.

Предложенный излучатель работает следующим образом. В режиме излучения при подаче рабочего напряжения на стержневой пьезопакет 4 в нем возникают продольные механические колебания, которые через накладку типа стакан 9 в свою очередь возбуждают колебания в акустически связанном с ней цилиндрическом упругом волноводе 1 в виде симметричной продольной нормальной волны. Нормальная волна, распространяясь с фазовой скоростью C_φ/C₀, излучается в окружающее пространство через боковую поверхность композитного волновода под направлением γ_max(ϖ), формируя направленное акустическое поле, вид которого зависит от параметров волновода, частоты. Вследствие наличия воздуха внутри корпуса и гибкой акустической развязки 14, 18, колебания в широкой полосе частот не передаются корпусу и не излучаются им в рабочую в среду, формируя паразитное поле в боковом и тыльном направлениях. В режиме приема акустический сигнал из среды воздействует на всю поверхность волновода и корпуса. Благодаря воздуху в корпусе и акустической развязке 14, 18, на пьезоактивный элемент 4 поступают только те колебания, которые передает продольная нормальная волна, бегущая в волноводе 1, возбужденная акустическим сигналом, падающим на его боковую поверхность под углом γ_max(ϖ). Характеристики направленности одинаковы в режимах излучения-приема и имеют низкий уровень бокового и тыльного излучения. Форма характеристики направленности определяется акустическими и геометрическими параметрами волновода, частотой. Экспериментальная отработка предлагаемого волноводного направленного преобразователя была проведена на макетах, выполненных в соответствии с предлагаемой конструкцией, представленной на фиг.1.

На фиг.5 приведены диаграммы направленности волноводного преобразователя с различными волноводами: 5а - волновод, изготовленный из эбонита; 5б - волновод, изготовленный из композитного материала эбонит - латунь. Как свидетельствуют приведенные данные, при замене эбонита на композитный ортотропный мелкослоистый материал эбонит - латунь происходит существенное улучшение направленных характеристик гидроакустической антенны, а именно: сужение основного лепестка с 45 до 22º при низком уровне боковых лепестков -20 дб; отмечается повышение чувствительности в режимах излучения со 110 Па·м/В до 240 Па·м/В и приема с 4500 мкВ/Па до 9950 мкВ/Па. Эффективность функционирования гидроакустических систем с применением заявляемых преобразователей может быть существенного повышена за счет повышения концентрации акустической энергии в более ограниченном телесном угле, так как коэффициент осевой концентрации по сравнению с прототипом увеличивается с (16-18) до (70-75). Следует отметить, что благодаря тому, что активный элемент 4, расположенный в прочном корпусе 3, развязан от гидростатического давления в рабочей среде твердотельным волноводом 1, конструкция может использоваться при больших, до 5000 м, глубинах, что подтверждено испытаниями в гидробаке высокого давления. Диаграмма направленности может оставаться постоянной в полосе частот около октавы, если выбрать диапазон рабочих частот в области слабой дисперсии фазовой скорости нормальной волны , где с_φ( (фиг.3, кривая 1). Там же отмечается линейный с увеличением частоты рост коэффициента радиационного затухания волны k₂ (фиг.4), что автоматически обеспечивает постоянство волнового размера излучающей поверхности и одинаковую ширину диаграммы направленности в полосе частот около октавы [5], что подтверждают и данные фиг.5б. Кроме того, направленность заявляемого устройства улучшена благодаря применению специальной конструкции узла крепления пьезопакета к волноводу, обеспечивающей акустическую развязку активного элемента и излучающей волноводной структуры от корпуса, и, как следствие, снижение уровня паразитного бокового излучения. Благодаря меньшим массогабаритным параметрам волновода, изготовленного из композитного материала, заявляемый преобразователь имеет меньшее лобовое сопротивление при буксировке и может использоваться при разработке буксируемых антенн, в том числе и низкочастотного диапазона (1,5-2) кГц.

Таким образом, заявленный гидроакустический направленный волноводный преобразователь обеспечивает достижение более узких диаграмм направленности с пониженным уровнем боковых лепестков, высокой излучаемой мощности, чувствительности, как в режиме излучения, так и приема, повышение прочности и надежности его конструкции, наряду с меньшими массогабаритными характеристиками волновода, способность работы в полосе частот. Кроме указанных, так же стоит отметить иные достоинства излучателя, которые проявляются при его эксплуатации - возможность работы на больших глубинах, а также в режиме буксировки, что делает перспективным его применение в системах гидроакустической телеметрии, связи, гидролокации, профилирования морского дна, в схемах динамической томографии, в том числе и в качестве антенн широкополосных сигналов. Эффективность функционирования данных систем может быть существенно повышена при применении заявляемого преобразователя за счет повышения концентрации акустической энергии в более ограниченном телесном угле.

Источники информации

1. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. - Л.: Судостроение, 1980, с.172, рис 6.11.

2. Church D.R.A., A New Type Directive Sound Sourse for Long Range Sonar., IRE Wescon Convention Record, 1959, Pt.6, p.4-12.

3. Чарч. Новый тип направленного источника звука для гидролокационных станций дальнего обнаружения // Зарубежная радиоэлектроника. - 1960. №3. - с.81-87.

4. Степанов Б.Г. Гидроакустический преобразователь волноводного типа пат. RU 2393644, H04R 1/44, H04R 1/00, оп. 27.06.2010.

5. Мальцев Ю.В., Прокопчик С.Е. Гидроакустические волноводные антенны и перспективы их применения в технических средствах исследования океана // Подводные исследования и робототехника. 2010. №2 (10). С.51-71, рис.9, 17, 26.

6. Рытов С.М. Акустические свойства мелкослоистой среды. Ак. ж., т.II, вып.1, с.71-83.

7. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы. М.: Логос, 2006, 398 с.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию волноводного направленного преобразователя, способного работать в полосе частот для гидроакустических средств различного назначения, в том числе и буксируемых, в качестве антенн систем: гидролокации, связи, навигации, профилирования, акустической томографии, подсветки подводной обстановки и т.д. Сущность изобретения: гидроакустический волноводный направленный преобразователь содержит изолированный от внешней среды газозаполненный прочный корпус, в котором размещен активный элемент в виде армированного стержневого пьезопакета, жестко состыкованный с упругим цилиндрическим волноводом через крепежно-герметизирующую накладку в форме стакана, которая обеспечивает гибкое соединение с прочным корпусом. Волновод преобразователя выполнен из композитного материала, например, из эбонита и латуни, и представляет собой периодическую мелкослоистую структуру, состоящую из одинаковых, чередующихся звеньев равной толщины; при этом ориентация звеньев волновода, выполненных из композитного материала, перпендикулярна оси волновода, а волновод армирован тонкими упругими стержнями, изготовленными, например, из титана. Технический результат: улучшение технических характеристик гидроакустического преобразователя, а именно достижение более узких диаграмм направленности, высокой чувствительности, мощности излучения, повышение прочности конструкции преобразователя и ее надежности наряду с меньшими массогабаритными характеристиками волновода. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гидроакустический волноводный направленный преобразователь, содержащий изолированный от внешней среды газозаполненный прочный корпус, в котором размещен активный элемент в виде армированного пакета, состоящего из набора пьезокерамических шайб с поляризацией по высоте, жестко состыкованный с упругим цилиндрическим волноводом через крепежно-герметизирующую накладку в форме стакана, ее соединение с прочным корпусом выполнено гибким, отличающийся тем, что волновод выполнен из композитного материала, например, из эбонита и латуни, и представляет собой периодическую мелкослоистую структуру, состоящую из одинаковых, чередующихся звеньев равной толщины h=h₁+h₂, где h₁ и h₂ - толщины слоев однородных материалов, из которых состоит композит, с относительной толщиной слоя металла $${\tilde{h}}_2=(0.1-0.15)$$ , где $${\tilde{h}}_2=h_2/(h_1+h_2)$$ ; при этом ориентация звеньев композитного материала перпендикулярна оси волновода, а волновод армирован тонкими упругими стержнями.

2. Гидроакустический волноводный направленный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что тонкие упругие стержни, которыми армирован волновод, выполнены из титана.