Подводный излучатель Советский патент 1993 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к морскому приборостроению, а именно к подводным излучателям, используемым для создания акустических колебаний в водной среде. В частности, они могут быть применены в системах подводной звуковой связи, геофизических исследованиях океана, дезориентации и загона рыб в куток трала, а также для защиты отдельных акваторий от хищных рыб (например, отпугивания акул от пляжей, от мест, где производятся подводные работы, и т.п.).

Известен подводный излучатель, содержащий вибратор в виде стержня, выполненного из пьезокерамического (либо магнитострикционного, с. 164) материала. Под действием электрического (или магнитного) поля средняя длина стержня изменяется с частотой приложенного поля, причем основная (низкая) частота резонанса стержневого вибратора определяется выражением:

ЙТ

призлунияе. В в сиизиана, ала, й от л от воддерненибоала. нитенячемержени0)

где с - скорость звука в материале вибратора,

I - длина вибратора.

Подводные излучатели со стержневыми вибраторами, в разумных габаритах, способны обеспечить нижнюю границу частотного диапазона .равную десяткам килогерц. Попытка расширения диапазона в более низкочастотную область приведет к резкому увеличению габаритов излучателя (например, для получения нижней границы равной 600 Гц, длина I 4 м, при ск 4000 м/с).

Известен другой подводный излучатель, описанный там же на странице 150, выбранный в качестве прототипа. Он содержит вибратор с криволинейной излучающей поверхностью, выполненный из пьезокерамического материала, способного изменять свои размеры под воздействием электрического поля. Вибратор данного излучателя выполнен в виде цилиндра (кольца). Изменение средней длины окружности цилиндра (кольца) приводит к возникновению радиальных пульсирующих или осциллирующих колебаний, передающихся в водную среду. Основная частота резонанса пульсирующих

СО

00

ю VI VI

Ю CJ

колебаний излучателя определяется из выражения:

«,Ј

где R - средний радиус цилиндра (кольца).

Данный излучатель способен снизить низкочастотную границу излучаемого диапазона частот ( ш к) по сравнению со стержневым излучателем, при тех же максимальных габаритах вибратора, до частот порядка единиц килогерц.

Однако попытка дальнейшего расширения диапазона излучения в область низких частот приводит к увеличению среднего радиуса вибратора,что, в частности,затрудняет его размещение в подводном носителе. (Например, для обеспечения f 500 Гц, R 1,3 м, при ск 4000 м/с).

Цель изобретения - расширение диапазона излучения в область низких частот без увеличения радиуса кривизны излучающей поверхности.

Указанная цель достигается тем, что в подводном излучателе, содержащем вибратор с криволинейной излучающей поверхностью, выполненный из материала, способного изменить свои геометрические размеры под воздействием электрического или магнитного полей, вибратор выполнен в виде цилиндрической спирали, концы которой жестко закреплены относительно друг друга.

На чертеже изображен общий вид предложенного подводного излучателя.

Подводный излучатель состоит из цилиндрического металлического корпуса 1 и размещенного на этом корпусе вибратора 2 в виде цилиндрической спирали. Вибратор состоит из набора прямоугольных призм 3, выполненных из пьезоэлектрического материала (например, пьезокерамики ЦТБС-3), электрически соединенных параллельно, закрепленных с помощью клея на подложке 4, имеющей форму спирали.

Подложка 4 с помощью башмаков 5 крепится к жесткому корпусу 1, в результате чего обеспечено жесткое закрепление концов спирального вибратора относительно друг друга. На торцах корпуса имеются фланцы 6, на которых закреплена цилиндрическая упругая оболочка 7 (выполненная, например, из резины), закрывающая наружную поверхность вибратора 2. Объем между оболочкой 7 и корпусом 1 заполнен малосжимаемой жидкостью 8 (например, минеральным маслом), обеспечивающей выравнивание внутреннего и гидростатиче

ского давлений при погружении излучателя на глубину.

В другом примере выполнения вибратора в качестве материала, способного изме5 нять свои геометрические размеры под действием магнитного поля, может применяться магнитострикционный материал. В этом случае вибратор представляет собой цилиндрическую спираль из железоникеле10 вого сплава, на которой по ходу спирали размещена обмотка.

Излучатель работает следующим образом. При подключении к вибратору 2 переменного электрического напряжения, в

15 вибраторе возникают продольные и изгиб- ные колебания. Поскольку концы спирального вибратора жестко закреплены башмаком 5 на корпусе 1 и не имеют возможности относительного перемещения,

20 продольные и изгибные моды колебаний перерождаются в радиальные колебания вибратора, превращая его тем самым в пульсирующий цилиндр. Колебания вибратора 2 через упругую оболочку 7 передаются

25 в воду. Как показал анализ, основными (низшими) формами колебаний вибратора являются первая продольная и первая изгибная моды.

Первая продольная мода колебаний

30 имеет резонансную частоту

ш Р ск. р 1

(On- R , К 2 к,

(3)

где К-число витков спирального вибратора, с - скорость звука в материале, R - средний радиус.

Первая изгибная мода колебаний имеет частоту

Р (1 - Р2} СК

WM

V1 + R

№

где h ж- приведенная толщина вибратора. Частота первой изгибной моды для двухвиткового спирального вибратора (К 2) получается из выражения (4) при

50

со иск 0,25пж ft)к.

(5)

Использование в подводном излучателе вибратора в виде цилиндрической спирали, концы которой жестко закреплены относительно друг друга, обеспечивает расширение диапазона излучения в область низких частот. Так из сравнения выражений (2) и (3) видно, что основная частота первой продольной моды колебаний вибратора в виде

двухвитковой цилиндрической спирали в 4 раза ниже той же моды цилиндрического вибратора.

Величина снижения частоты при работе вибратора на основной изгибной моде, следует из сравнения выражения (5) для двух- виткового спирального вибратора с выражением для цилиндра, получаемым из формулы (4) при Р 2. Это выражение имеет вид

ик

2.7ЬжСк R

2,7hx О)

(6)

Из сравнения выражений (5) и (6) следует понижение частоты первой изгибной моды колебаний спирального вибратора примерно в 10 раз по сравнению с цилиндрическим того же радиуса. Таким образом, даже при работе на частоте первой продоль0

5

0

ной моды колебаний, радиус спирального вибратора составит 0,35 м, для частоты f 500 Гц. Это обстоятельство позволяет создавать мощные низкочастотные подводные излучатели с габаритами, позволяющими их использовать как в якорных устройствах, так и в самоходных или буксируемых гидроакустических устройствах.

Формула изобретения Подводный излучатель, содержащий вибратор с криволинейной излучающей поверхностью, выполненный из материала, изменяющего геометрические размеры под действием электрического и магнитного полей, отличающийся тем, что, с целью снижения резонансной частоты, вибратор выполнен в виде цилиндрической спирали, концы которой жестко скреплены.

Использование: область гидроакустики. Сущность изобретения: устройство содержит вибратор в виде цилиндрической спира- ли с криволинейной излучающей поверхностью, выполненный из материала, изменяющего геометрические размеры под действием электрического и магнитного полей. Концы цилиндрической спирали жестко скреплены. 1 ил.

А-А