ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Советский патент 2006 года по МПК G01S7/52 

Изобретение относится к области создания гидроакустических пьезокерамических преобразователей, в частности мощных низкочастотных излучателей.

Учитывая сверхдальнее распространение в морской воде звуковых волн низкой частоты, в последнее десятилетие все большее применение наряду с другими преобразователями находят мощные низкочастотные цилиндрические гидроакустические преобразователи.

Для обеспечения динамической прочности преобразователя и обеспечения в связи с этим возможности излучения большой акустической мощности, известен целый ряд конструкций преобразователей, в которых создается постоянно действующее статическое сжимающее напряжение - напряжение армирования.

Известен пьезокерамический цилиндрический гидроакустический преобразователь (патент США №3230505, класс 340-10), в котором узел армирования выполнен в виде бандажа, образованного намотанной с натягом на его наружную поверхность гибкой нити, в частности стеклонити.

В отечественной практике изготовление такого преобразователя регламентировано стандартом - ОСТ5.9121-73 - "Кольца пьезокерамические. Способ армирования силовой намоткой стеклонити".

Недостатком этого преобразователя является то, что армирующее напряжение, созданное в нем при изготовлении, снижается с течением времени в результате релаксации стеклонити. Поэтому такой преобразователь находит ограниченное применение.

В пьезокерамическом цилиндрическом гидроакустическом преобразователе, цилиндрический активный элемент собран из отдельных секций, в частности из пьезокерамических призм 1 (см. фиг.1) и пассивных вставок 2; армирование выполнено металлическим бандажом 3, одетым (в нагретом состоянии) с натягом на наружную поверхность активного элемента через электроизоляционную прокладку 4.

Существенным недостатком преобразователя-прототипа является трудоемкость его армирования, особенно в случае изготовления низкочастотного преобразователя, имеющего большие размеры - диаметром более 1 метра.

В преобразователе-прототипе армирующий металлический бандаж, электроизоляционную прокладку и активный элемент необходимо выполнять строго цилиндрической формы с малыми допусками, обеспечивающими необходимый натяг бандажа, создающий в активном элементе преобразователя заданное напряжение армирования. Выполнение указанных узлов известного преобразователя строго цилиндрической формы и с малыми допусками практически трудно выполнимо при изготовлении низкочастотных преобразователей значительных размеров. Кроме того, в прототипе при выполнении армирования отсутствует в процессе изготовления возможность подстройки сжимающих напряжений до требуемого значения. Из-за неразборности армирующего узла преобразователь известной конструкции неремонтопригоден. Следствием указанных ограничений технологических возможностей изготовления преобразователей является значительный брак по идентичности электрических параметров известных преобразователей.

Целью настоящего изобретения является расширение технологических возможностей изготовления цилиндрических гидроакустических преобразователей больших размеров.

Поставленная цель достигается тем, что узел армирования выполнен в виде металлического кольца, установленного концентрично и с зазором по отношению к активному элементу преобразователя, скрепленного с ним шпильками с гайками на конце, с натягом, обеспечивающим создание в активном элементе требуемых напряжений армирования.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 схематично представлен общий вид конструкции цилиндрического гидроакустического преобразователя-прототипа;

на фиг.2 схематично представлен общий вид предлагаемого цилиндрического гидроакустического преобразователя;

на фиг.3 схематично представлен общий вид предлагаемого цилиндрического преобразователя в форме многогранника, собранного из отдельных предварительно изготовленных пьезоблоков с армирующим элементом, расположенным внутри (фиг.3а) и снаружи активного элемента (фиг.3б).

На чертежах обозначено:

1 - пьезокерамическая призма активного элемента,

2 - пассивная вставка активного элемента,

3 - металлическое кольцо армирующего узла,

4 - электроизоляционная прокладка,

5 - шпилька армирующего узла,

6 - гайка армирующего узла,

7 - пьезоблок активного элемента в виде многогранника.

Предлагаемый преобразователь содержит цилиндрический активный элемент, собранный из чередующихся между собой пьезокерамических призм 1 (см. фиг.2а) и пассивных вставок 2. Узел армирования выполнен в виде металлического кольца 3, установленного в рассматриваемом случае внутри активного элемента концентрично и с зазором относительно его внутренней поверхности, скрепленного шпильками 5 с гайками 6 на конце с пассивными вставками 2. Для этого в пассивных вставках выполнены отверстия с резьбой, а гайки завернуты с натягом, обеспечивающим в активном элементе требуемые напряжения армирования, Для того чтобы натяг не ослабевал при работе преобразователя, на шпильки дополнительно завернуты контргайки. Цилиндрический преобразователь, выполненный в соответствии с предложением, ремонтопригоден.

При необходимости переборки преобразователя для ремонта или замены его частей армирующий узел может быть снят без повреждения других узлов преобразователя, чего не допускает конструкция прототипа. Кроме того, в противоположность преобразователю-прототипу в предлагаемом преобразователе можно путем увеличения или уменьшения натяга гайки регулировать армирующее напряжение. Преобразователь больших размеров, например порядка 1 метра, собирают из предварительно изготовленных пьезоблоков 7 (фиг.3а), сборка которых в цилиндрический активный элемент преобразователя в виде многогранника должна осуществляться с определенным напряжением армирования, что достигается установкой в его внутреннюю полость армирующего узла: металлического кольца со шпильками и с гайками.

В необходимых случаях узел армирования может быть размещен снаружи активного элемента. Такая конструкция многоэлементного преобразователя, собранного из отдельных предварительно изготовленных пьезоблоков 7, приведена на фиг.3б.

Как показала экспериментальная проверка, заявленная конструкция гидроакустического преобразователя обеспечивает при работе монолитность его колебательной системы: при подаче на преобразователь переменного электрического напряжения дополнительные резонансы, связанные с введением новых элементов узла армирования, не появляются и преобразователь колеблется на своем основном резонансе.

Наряду с этим обеспечивается требуемая динамическая прочность предлагаемого преобразователя.

Существенным преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с известными конструкциями, в том числе и с прототипом, является возможность создания армирующих напряжений в низкочастотном преобразователе, имеющем большой диаметр, порядка одного метра, в форме многогранника, приведенном на фиг.3. Последнее, как указывалось выше, имеет место при сборке преобразователя значительных размеров, собираемого из предварительно изготовленных пьезоблоков 7.

Также большим преимуществом предлагаемого технического решения является возможность регулировки армирующих напряжений в процессе изготовления преобразователя с большой точностью (до ±15%), тогда как в прототипе эта точность равна ±30%. Для обеспечения в активном элементе требуемых сжимающих напряжений необходимо выполнение условия

где D_a - наружный диаметр армируемого активного элемента,

h_a - толщина активного элемента,

N - число армирующих шпилек.

Напряжения в армирующем кольце σ_к и в шпильках σ_ш будут определяться из равенств

где D_ш - диаметр шпильки,

H_а и Н_к - высота активного элемента и армирующего кольца.

Для проверки предлагаемого технического решения был создан макет цилиндрического преобразователя с наружным диаметром активного элемента 290 мм, высотою 100 мм, шириною 15 мм. Активный элемент был собран из 60 пьезокерамических элементов состава ЦТБС-3 и 15 пассивных призматических вставок тех же размеров, выполненных из стали 30.

В металлических вставках были выполнены отверстия с резьбой, а в металлическом кольце соответственно им сквозные отверстия. Внутри активного элемента в соответствии с предложением концентрично и с зазором был установлен армирующий узел в виде металлического армирующего кольца (в рассматриваемом макете из титана диаметром 244 мм, высотой 26 мм, толщиной 5 мм), которое стальными шпильками с резьбой М6 закреплялось в отверстиях, выполненных в пассивных вставках. Армирование выполнялось путем поочередной затяжки гаек, навинчиваемых на шпильки. Контроль создаваемых в пьезокерамике в процессе армирования напряжений армирования выполнялся тензометрами, наклеенными на пьезокерамические призмы.

Проверка показала, что в предлагаемой конструкции преобразователя армирование можно выполнять в широких пределах (до 200 кгс/см²), как было указано, с точностью ±15%. При этом изготовление подобной конструкции преобразователя в сравнении с прототипом, требующим посадки на основной элемент нагретого металлического бандажа через изоляционную прокладку, значительно проще.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к области создания мощных низкочастотных излучателей. Техническим результатом является повышение производительности при изготовлении преобразователей больших размеров. Для достижения технического результата в устройстве, содержащем цилиндрический активный элемент и узел армирования, узел армирования выполнен в виде установленного концентрично и с зазором относительно активного элемента металлического кольца, соединенного с натягом с пассивными вставками при помощи шпилек с гайками на конце. 3 ил.

Гидроакустический преобразователь, содержащий цилиндрический активный элемент, выполненный в виде чередующихся пьезокерамических призм и пассивных вставок, и узел армирования, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности при изготовлении преобразователей больших размеров, узел армирования выполнен в виде установленного концентрично и с зазором относительно активного элемента металлического кольца, соединенного с натягом посредством шпилек с гайками на конце с пассивными вставками.