Гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны Российский патент 2024 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим приемникам звука для морских гибких протяженных сейсмокос. Приемники этого класса предназначены для обеспечения высокой чувствительности к звуковому давлению и легко совместимых с конструкцией протяженных антенн и стримеров. Использование в протяженных антеннах и стримерах до нескольких десятков тысяч приемников на изделие предполагает повышенные требования на их стоимость и технологичность изготовления [1, 2].

Известен многоэлементный модуль гидроакустической приемной антенны [3], содержащий пьезоэлектрические преобразователи, закрепленные к металлическому тросу и установленные по оси полимерного шланга прямоугольного поперечного сечения и армированного металлической сеткой, герметизированного по торцам концевыми заглушками, а круглые пластинчатые преобразователи закреплены по диаметру к тросам. При этом выводы каждого преобразователя имеют попарный повив и каждая пара заключена в общем электрическом экране.

Аналог обеспечивает существенное снижение уровня пороговых акустических сигналов. Однако аналогу присущи недостатки, ограничивающие его применение. При использовании цилиндрических преобразователей их чувствительность и направленные свойства в режиме приема вблизи акустического экрана существенно зависят от волнового расстояния от его геометрического центра до экрана [4]. Одновременная реализация названных требований в гидроакустическом приемнике труднореализуема.

Другой недостаток аналога состоит в необходимости пайки по внутреннему радиусу между блоками пьезоэлементов, что труднореализуемо в случае диаметра последних менее 10 мм.

Известен гидроакустический приемник для геофизической сейсмокосы [5], содержащий цилиндрический пьезоэлемент, на наружную поверхность которого с натягом установлена полиуретановая трубка, а концевая часть трубки, выступающая за торцы цилиндрического пьезоэлемента, герметично закреплена с помощью склейки и термической обработки, образуя герметичный шов, через который герметично пропущены электрические выводы.

Приемник обеспечивает повышение чувствительности при одновременном упрощении конструкции и технологии изготовления.

Однако, аналогу присущи недостатки, ограничивающие его применение. К ним относятся: не использование потенциальной возможности увеличения чувствительности пьезоэлемента, поскольку радиальные и осевые колебания последнего под действием акустического давления приводят к возникновению деформаций пропорциональных только пьезомодулю d₃₁ [6]. При этом в существующей матрице пьезомодулей d₃₁ почти в два раза меньше пьезомодулей d₃₃ и d₁₅ [7]. Монтаж приемника в сейсмокосе вызывает затруднения из-за полной герметизации внутреннего объема, при которой осесимметричная установка проблематична. Исключена прокладка сквозь внутренний объем линий телеметрии. Технологический прием вывода электрических проводов через концевые части трубки не обеспечивает надежной герметизации пьезоэлемента от заполнителя сейсмокосы.

Наиболее близким по количеству общих признаков с предлагаемым приемником является гидроакустический приемник для геофизической сейсмокосы [8]. Прототип содержит чувствительный элемент, выполненный из двух цилиндрических пьезоэлементов, склеенных по торцам через диэлектрическую шайбу, герметизация внутренней поверхности которых выполнена с помощью коаксиально установленной в его внутреннюю полость жесткой трубки и торцевых втулок, выполненных в виде полых конусов, имеющих на концах цилиндрические участки, а на наружную поверхность цилиндрических пьезоэлементов с натягом установлена полимерная трубка, концевые части которой выступают за торцы чувствительного элемента и герметично склеены по внутренней поверхности с наружной поверхностью цилиндрических участков торцевых втулок, а внутренняя цилиндрическая поверхность торцевых втулок герметично соединена с наружной поверхностью полой жесткой трубки, при этом между внутренней поверхностью чувствительного элемента и конической поверхностью чувствительно элемента и конической поверхностью торцевых втулок имеется зазор, размер которого определяется величиной предельного гидростатического давления, причем внутренняя цилиндрическая поверхность каждой торцевой втулки на конце снабжена цилиндрическим выступом, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру жесткой трубки, торцы которой в упор соединены с внутренними торцами этих цилиндрических выступов, а электрические выводы от наружных электродов чувствительного элемента выведены через полимерную трубку и загерметизированы полимером.

Прототип обеспечивает повышение чувствительности, технологичности его изготовления и встраивания в конструкцию сейсмокосы.

Однако прототипу присущи недостатки, ограничивающие его применение:

недостаточная в ряде случаев чувствительность приемника;

наличие технологических проблем при его изготовлении. Последняя связана с изготовлением чувствительного элемента на основе соосно расположенных N цилиндрических пьезоэлементов с электродами на боковых поверхностях малого (10 мм и менее) внутреннего диаметра.

Наиболее распространенными керамическими материалами для изготовления цилиндрических пьезоэлементов этого типа являются ЦТС-19 и ЦТБС-3. Компанией ООО «Аврора-ЭЛМА» г. Волгоград выпускается серия пьезоэлементов с названными характеристиками (Щ47.124.129-16). В их число входят изделия ЖГКД.757681.037-01, -02, -03, -04, -05 [9].

Задачей заявленного изобретения является повышение чувствительности гидроакустического приемника и технологичности его изготовления.

Поставленная задача в гидроакустическом приемнике для гибкой протяженной буксируемой антенны, содержащей чувствительный элемент, выполненный из двух соосно расположенных цилиндрических пьезоэлементов, склеенных по торцам через диэлектрическую шайбу, герметизация внутренней поверхности которых выполнена с помощью коаксиально установленной в их внутреннюю полость жесткой трубки и торцовых втулок, выполненных в виде полых усеченных конусов, имеющих на концах цилиндрические участки, а на наружную поверхность цилиндрических пьезоэлементов с натягом установлена полимерная трубка, концевые части которой выступают за торцы чувствительного элемента и герметично склеены по внутренней поверхности с наружной поверхностью цилиндрических участков торцевых втулок, а внутренняя цилиндрическая поверхность торцевых втулок герметично соединена с наружной поверхностью полой жесткой трубки, при этом между внутренней поверхностью чувствительного элемента и конической поверхностью торцевых втулок имеется зазор, размер которого определяется величиной предельного гидростатического давления, причем внутренняя цилиндрическая поверхность каждой торцевой втулки на конце снабжена цилиндрическим выступом, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру жесткой трубки, торцы жесткой трубки в упор соединены с внутренними торцами этих цилиндрических выступов, а электрические выводы от наружных электродов крайних пьезоэлементов чувствительного элемента выведены через полимерную трубку и загерметизированы полимером, чувствительный элемент выполняют из N, N=3, 4,…, соосно расположенных последовательно или параллельно соединенных цилиндрических пьезоэлементов, склеенных по торцам через диэлектрические шайбы, внутренние электроды цилиндрических пьезоэлементов последовательно соединяют между собой с помощью введенных упругих контактных электрических соединителей, размещаемых в зазоре между чувствительным элементом и жесткой трубкой и зафиксированных в отверстиях на выступах соответствующих диэлектрических шайб.

В качестве упругих контактных электрических соединителей используют равномерно размещаемые металлические пластинчатые контактные элементы в количестве K=A(N-1) в зависимости от числа используемых соосных цилиндрических пьезоэлементов N при их параллельном подключении и контактных элементов в группе А, А=2, 3, 4,…, предназначенных для соединения внутренних электродов двух соседних пьезоэлементов, а при последовательном подключении цилиндрических пьезоэлементов K=A(N-1)/2.

Другой реализацией упругих контактных электрических соединителей являются N-1 металлических пружин, при параллельном подключении пьезоэлементов, длина которых L определяется из выражения L=В+2k, где k - длина пружины из трех витков, В - толщина диэлектрической шайбы, а диаметр пружин должен превышать внутренний диаметр пьезоэлементов. При последовательном подключении цилиндрических пьезоэлементов используют (N-1)/2 металлических пружин с названными характеристиками.

Заявляемое устройство поясняется чертежами:

на фиг. 1 - приведена конструкция заявляемого приемника с использованием чувствительного элемента из трех пьезоэлементов с использованием в качестве упругих контактных электрических соединителей металлических пластинчатых контактных элементов:

а) при параллельном подключении пьезоэлементов;

б) при последовательном подключении пьезоэлементов.

на фиг. - вариант исполнения упругого контактного соединителя на основе трех пластин при соосном объединении двух соседних пьезоэлементов;

на фиг. 3 - реализация упругого контактного электрического соединителя на основе металлической пружины при соосном объединении двух пьезоэлементов.

Гидроакустический приемник (см. фиг. 1 а, б) для гибкой протяженной буксируемой антенны содержит чувствительный элемент 1, выполненный из N, N=3, 4,…, соосно расположенных и последовательно соединенных цилиндрических пьезоэлементов, склеенных по торцам через диэлектрические шайбы 2, герметизацию внутренней поверхности которых выполняют с помощью коаксиально установленной в их внутреннюю полость жесткой трубки 3 и торцевых втулок 4, выполненных в виде полых усеченных конусов, имеющих на концах цилиндрические участки, а на наружную поверхность цилиндрических пьезоэлементов с натягом устанавливают полимерную трубку 5, концевые части которой выступают за торцы чувствительного элемента 1 и герметично склеивают по внутренней поверхности с наружной поверхностью цилиндрических участков торцевых втулок 4, а внутреннюю цилиндрическую поверхность торцевых втулок 4 герметично соединяют с наружной поверхностью жесткой трубки 3, при этом между внутренней поверхностью чувствительного элемента 1 и конической поверхностью торцевых втулок 3 имеется зазор, размер которого определяется величиной предельного гидростатического давления, причем внутренняя цилиндрическая поверхность каждой торцевой втулки 4 на конце снабжена цилиндрическим выступом, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру жесткой трубки 3, торцы жесткой трубки 3 в упор соединяют с внутренними торцами этих цилиндрических выступов, электрические выводы 6 от наружных электродов крайних пьезоэлементов чувствительного элемента 1 выводят через полимерную трубку 5 и герметизируют полимером, а внутренние электроды цилиндрических пьезоэлементов чувствительного элемента 1 последовательно или параллельно соединяют между собой с помощью упругих контактных электрических соединителей 7, размещаемых в зазоре между чувствительным элементом 1 и жесткой трубкой 3 и фиксируют в отверстиях на выступах соответствующих диэлектрических шайб 2, а внешние соединения пьезоэлементов выполняют с помощью пайки 8.

В качестве упругих контактных электрических соединителей при параллельном подключении пьезоэлементов используют равномерно размещаемые металлические пластинчатые контактные элементы 7 в количестве K=А⋅(N-1) в зависимости от числа используемых соосных цилиндрических пьезоэлементов N и контактных элементов в группе А, А=3, 4,…, предназначенных для соединения внутренних электродов двух соседних пьезоэлементов (см. фиг. 1 б, 2) Последовательное подключение пьезоэлементов предполагает сокращенное в два раза использование контактных элементов в соответствии с фиг. 1 а.

В качестве другого варианта контактных электрических соединителей при реализации параллельного подключения пьезоэлементов (см. фиг. 3) используют N-1 металлических пружин 7, длина которых L определяется из выражения L=В+2k где k - длина пружины из трех витков, В - толщина диэлектрической шайбы 2, а диаметр пружин превышает внутренний диаметр пьезоэлементов (см. фиг. 3). При реализации последовательных соединений потребуется (N-1)/2 пружин с названными характеристиками.

Чувствительность гидроакустического приемника определяется соответствующей характеристикой блока 1. В свою очередь чувствительность пьезоэлектрических преобразователей может быть представлена суммой чувствительностей последовательно соединенных кольцевых пьезоэлементов [10]. Такие пьезоэлементы поляризуются по толщине в радиальном направлении (пьезомодуль d₃₁). Наибольшая чувствительность кольцевых пьезоэлементов достигается на резонансной частоте ƒ_p. Для последних (у которых высота соизмерима с радиусом) ƒ_р определяется из выражения [11].

где r_cp - средний радиус кольца керамического пьезоэлемента, i=0, 1, 2,…, R - форма колебаний пьезоэлемента, - модуль упругости при постоянной направленности электрического поля, ρ - плотность материала.

Наиболее частой является ситуация, когда чувствительный элемент 1 на основе кольцевых пьезоэлементов обеспечивает реализацию ƒ_p значительно выше частот принимаемых сигналов. В этом случае чувствительность керамического преобразователя определяется из выражения [12]

где d₃₁ - пьезомодуль (Кл/Н), - диэлектрическая проницаемость (ф/м).

Для повышения чувствительности гидроакустического приемника в элементе 1 предлагается использовать большее количество (более двух) последовательно соединенных пьезоэлементов N, N=3, 4,… [12]. В качестве последних целесообразно использовать тонкостенные пьезоэлементы цилиндрической формы 2r_cp/h>>1, где h - толщина стенки цилиндра, что позволяет получить значительное увеличение чувствительности элементов [10]. Однако, следует учитывать то обстоятельство, что минимальное значение h ограничивается величиной заданного предельного гидростатического давления.

Технологическая проблема изготовления чувствительного элемента 1 на основе соосно расположенных N, N≥3, цилиндрических пьезоэлементов с электродами на боковых поверхностях малого внутреннего диаметра решается с помощью дополнительно введенных упругих контактных электрических соединителей 7, размещаемых в зазоре между чувствительным элементом 1 и жесткой трубкой 3, которые фиксируют в отверстиях на выступах соответствующих диэлектрических шайб 2 (см. фиг. 1-3). В качестве последних предлагается использовать металлические пластинчатые контактные элементы (см. фиг. 1 и 2), равномерно размещаемые на выступах диэлектрических шайб 2. Общее количество К контактных элементов в чувствительном элементе 1 при их параллельном подключении определяется из выражения

где А=2, 3,…, - количество контактных элементов в группе, предназначенных для соединения внутренних электродов двух соседних пьезоэлементов. В случае использования последовательного соединения пьезоэлементов K=А⋅(N-1)/2.

В качестве другого варианта исполнения контактных электрических соединителей внутренних электродов 7 цилиндрических пьезоэлементов малого диаметра при их параллельном соединении предлагается использовать N-1 металлических пружин 8 (см. фиг. 3). Длина каждой пружины L определяется из выражения

где k - длина пружины из трех витков, В - толщина диэлектрической шайбы 2. Диаметр пружин должен превышать внутренний диаметр цилиндрических пьезоэлементов. Остальные параметры должны соответствовать требуемой жесткости и величине переходного сопротивления. Последовательное соединение кольцевых пьезоэлементов предполагает использование (N-1)/2 металлических пружин с названными характеристиками. Упругость контактного электрического соединителя 7 С_ус на основе металлической пружины или пластин контактной группы должна быть на порядок меньше упругости цилиндрического пьезоэлемента С_пр, С_ус<<С_пр. Защита контактных соединений от негативного воздействия внешней среды достигается использованием смазок, паст на основе серебра в зависимости от материала электрода пьезоэлемента.

Достоинства предложенных вариантов сборки чувствительного элемента 1 на основе группы из N соосных цилиндрических пьезоэлементов малых размеров (с внутренним диаметром 10 мм и менее) с боковыми электродами состоят:

в распределенной площади электрического контакта;

возможности монтажа в труднодоступных местах по внутреннему радиусу пьезоэлементов;

упрощенном демонтаже пьезоэлементов в необходимых случаях без нарушения целостности их электродов;

долговечности контактов без ухудшения технических характеристик в процессе эксплуатации;

надежной работе в условиях внешних воздействий;

низком и стабильном контактном сопротивлении в течении длительного срока эксплуатации.

В случае использования N цилиндрических пьезоэлементов в чувствительном элементе 1 его электрические выводы реализуют от наружных электродов крайних пьезоэлементов. Объединение внешних электродов соседних пьезоэлементов осуществляют с помощью пайки.

Предложенная в прототипе конструкция приемника с внесенными в нее дополнениями позволяет реализовать в чувствительном элементе 1 возросшие суммарные колебания сдвига, при которых реализуется пьезомодуль d₁₅, увеличение пьезомодуля d₃₁, что обеспечивает повышение чувствительности к акустическому давлению, а дополнительное введение упругих контактных электрических соединителей 7, размещаемых в зазоре меду чувствительным элементом 1 и жесткой трубкой 3 повышает технологичность его изготовления.

Источники информации:

1. Справочник по Гидроакустике. Изд. 2. - Л.: Судостроение, стр. 172.

2. Роберт Д. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978, стр. 47-50.

3. Патент РФ №2269875, МПК H04R 1/44 (2006.01), опубл. 10.02.2006, бюл. №4.

4. Б.С. Аронов. Электрические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. - Л.: Энергоатомиздат.- 1990, стр. 185-194.

5. Патент РФ №2626812, МПК H04R 1/44 (2006.01), опубл. 01.08.2017, бюл. №22.

6. Ананьева А.А. Керамические приемники звука. - М: Академия наук СССР, 1963.

7. Ультразвук. Маленькая энциклопедия, под ред. И.П. Голямина. - М.: Советская Энциклопедия, 1979.

8. Гидроакустический приемник для геофизической сейсмокосы. Патент РФ №2714866, МПК H04R 1/44 (2006.01), G04V 1/38 (2006.01), опубл. 19.02.2020, бюл. №5.

9. Аврора-ЭЛМА, пьезокерамика из Волгограда. Электронный ресурс http://volgogradru.com.catalog/avrora_elma.org, www.avrora-elma.ru. Дата обращения 03.04.2024.

10. В. Шарапов, М. Мусиенко, Е. Шарапова. Пьезоэлектрические датчики. - М.: Техносфера, 2006, стр. 485-490.

11. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. (Учебник для техникумов). - Л.: Судостроение, 1980. - 236 с.

12. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика: Учебное пособие. - 2-е изд. перер и доп. - Л.: Судостроение, 1990. - 320 с.

Изобретение относится к гидроакустической технике, в частности к пьезоэлектрическим приемникам звука геодезической сейсмокосы, предназначенным для регистрации и измерения акустического поля в воде, применяемым в геофизике для мониторинга. Технический результат - повышение чувствительности пьезоэлектрического приемника и технологичности его изготовления при малом внутреннем диаметре кольцевых пьезоэлементов. Результат достигается тем, что предложен гидроакустический приемник, в котором чувствительный элемент выполнен из N цилиндрических пьезоэлементов, N≥3, соосно расположенных и последовательно соединенных через диэлектрические шайбы, а внутренние электроды цилиндрических пьезоэлементов соединяют между собой с помощью дополнительно введенных упругих контактных электрических соединителей, фиксируемых в отверстиях на выступах диэлектрических шайб. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны, содержащей чувствительный элемент, выполненный из соосно расположенных цилиндрических пьезоэлементов, склеенных по торцам через диэлектрические шайбы, герметизация внутренней поверхности которых выполнена с помощью коаксиально установленной в их внутреннюю полость жесткой трубки и торцовых втулок, выполненных в виде полых усеченных конусов, имеющих на концах цилиндрические участки, а на наружную поверхность цилиндрических пьезоэлементов с натягом установлена полимерная трубка, концевые части которой выступают за торцы чувствительного элемента и герметично склеены по внутренней поверхности с наружной поверхностью цилиндрических участков торцевых втулок, а внутренняя цилиндрическая поверхность торцевых втулок герметично соединена с наружной поверхностью полой жесткой трубки, при этом между внутренней поверхностью чувствительного элемента и конической поверхностью торцевых втулок имеется зазор, размер которого определяется величиной предельного гидростатического давления, причем внутренняя цилиндрическая поверхность каждой торцевой втулки на конце снабжена цилиндрическим выступом, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру жесткой трубки, торцы жесткой трубки в упор соединены с внутренними торцами этих цилиндрических выступов, а электрические выводы от электродов крайних пьезоэлементов чувствительного элемента выведены через полимерную трубку и загерметизированы полимером, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполняют из N, N=3, 4,…, соосно расположенных, последовательно или параллельно соединенных цилиндрических пьезоэлементов, склеенных по торцам через диэлектрические шайбы, внутренние электроды цилиндрических пьезоэлементов соединяют между собой с помощью введенных упругих контактных электрических соединителей, размещаемых в зазоре между чувствительным элементом и жесткой трубкой и зафиксированных в отверстиях на выступах соответствующих диэлектрических шайб.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве упругих контактных электрических соединителей используют равномерно размещаемые металлические пластинчатые контактные элементы в количестве K=А⋅(N-1) в зависимости от числа используемых соосных цилиндрических пьезоэлементов N при их параллельном подключении и контактных элементов в группе А, А=2, 3, 4,…, предназначенных для соединения внутренних электродов двух соседних пьезоэлементов, а при последовательном подключении цилиндрических пьезоэлементов K=А⋅(N-1)/2.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве упругих контактных электрических соединителей при параллельном подключении цилиндрических пьезоэлементов используют N-1 металлических пружин, длина которых L определяется из выражения L=В+2k, где k - длина пружины из трех витков, В - толщина диэлектрической шайбы, а диаметр пружин должен превышать внутренний диаметр пьезоэлементов, а при последовательном подключении цилиндрических пьезоэлементов используют (N-1)/2 металлических пружин с названными характеристиками.