ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Советский патент 2006 года по МПК H04R1/44 H04R17/00 

Настоящее изобретение может быть использовано в гидроакустике при разработке мощных низкочастотных электроакустических цилиндрических излучателей.

Излучатели этого типа широко используются в современной гидроакустике при создании антенн эхопеленгования, подводной связи, освещения подводной обстановки, а также в научно-исследовательских целях при изучении Мирового океана.

Методы расчета и конструкции цилиндрических излучателей, способы их изготовления описаны в целом ряде работ советских и зарубежных авторов, а также в отечественных и иностранных патентах (см., например, Л.Камп. Подводная акустика. - М.: Мир, 1972, с.153-155; Подводные электроакустические преобразователи, справочник под редакцией В.В.Богородского. - Л.: Судостроение, 1983, с.88-97; авт. св. 1840188; патент США №3230505, 1966, №3922572, 1975).

Основные трудности, возникающие при создании мощных цилиндрических электроакустических излучателей, заключаются в обеспечении надежной герметизации, высокой механической и электрической прочности конструкции, необходимого технического ресурса. При разработке мощных низкочастотных излучателей добавляется новая специфическая проблема - обеспечение механической прочности электрического монтажа.

Эта проблема связана с собственными частотами элементов монтажа, которые лежат в низкочастотной области. По мере снижения собственной частоты колебательной системы излучателя, представляющей собой полый круговой цилиндр, возникает опасность возникновения резонансных явлений, приводящих к разрушению монтажа. Кроме того, в низкочастотных излучателях в силу малости величины сопротивления излучения для поддержания заданной акустической мощности необходимо увеличивать величину колебательной скорости (а следовательно, и ускорения), что приводит к увеличению механических напряжений в активном материале и инерционных сил, воздействующих на электрический монтаж. Действительно, величина акустической мощности, развиваемой излучателем, определяется выражением

где - колебательная скорость;

r_s - сопротивление излучения.

Отсюда следует, что с уменьшением r_s необходимо увеличивать и принимать меры по упрочнению колебательной системы и элементов монтажа.

Под воздействием сильных механических нагрузок элементы монтажа ломаются, в зазоре возникает электрическая дуга (рабочее электрическое напряжение на излучателе составляет 1,5-2 кВ), продукты горения попадают между положительным и отрицательным электродами пьезоэлементов, что вызывает электрический пробой и выход излучателя из строя.

Для повышения механической прочности пьезокерамического цилиндра и обеспечения его работы при больших механических напряжениях цилиндр армируется путем силовой намотки стеклонити по наружной поверхности. Электрический монтаж цилиндрического излучателя оказывается в этом смысле более уязвимым, так как армирование никак не повышает его прочности.

Рассмотрим, как осуществляется электрический монтаж секционированного пьезокерамического цилиндра. Основным элементом монтажа является электрод, выполненный из латуни и повторяющий по высоте и ширине размеры боковой (склеиваемой) поверхности пьезокерамических призм, из которых склеивается цилиндр. Электрод располагается между двумя соседними призмами. Толщина электрода составляет 0,2-0,3 мм. Электрод имеет лепесток, направленный в сторону внутренней поверхности цилиндра, к которому припаивается монтажный провод, соединяющий однополярные выводы всех призм. При интенсивных колебаниях цилиндра происходят и колебания монтажа, причем не только продольные, но и изгибные. В результате чего наблюдается обрыв монтажа, особенно лепестков электродов у их основания и проводов в районе пайки (головки лепестка). Ситуация осложняется еще и тем, что само количество электродов и паек в современных низкочастотных цилиндрических излучателях очень велико и достигает нескольких сотен.

Известен электроакустический цилиндрический излучатель (см. патент США №3142035, 1964), в котором активный элемент (цилиндр) склеен из пьезокерамических призм, чередующихся с массивными металлическими вставками-призмами, служащими в качестве электродов, на которых закрепляются монтажные провода. Недостаток известного преобразователя состоит в том, что металлические вставки повышают резонансную частоту излучателя (скорость звука в металле значительно выше скорости звука в пьезокерамике) и уменьшают общее количество пьезокерамики в активном элементе, что приводит к снижению его электроакустических параметров.

Известен излучатель (см. патент США №3624429, 1971), принимаемый за прототип, который содержит пьезокерамический цилиндр, два торцевых крепежных фланца, служащих для крепления излучателя к несущей конструкции, внутреннюю и наружную резиновые герметизирующие оболочки цилиндрической формы. Пространство между наружной и внутренней поверхностями цилиндра и оболочками, а также между торцами цилиндра и фланцами заполнено электроизоляционной жидкостью или слоем эластичного компаунда. Жидкость или эластичный заливочный компаунд служат для целей герметизации, а также для механической развязки крепежных фланцев от торцов цилиндра при его колебаниях в радиальном направлении. Электрический монтаж цилиндра выполнен следующим образом. Между каждой из призм, склеиваемых между собой и образующих цилиндр, вклеиваются тонкие латунные электроды. Электроды имеют лепестки, направленные внутрь цилиндра. Лепестки электродов одной полярности соединяются между собой монтажным проводом, который припаивается к головке каждого лепестка.

Недостатком излучателя-прототипа является малая надежность и долговечность при работе в режиме излучения большой акустической мощности, особенно в диапазоне низких звуковых частот (<3 кГц). Этот недостаток выявился в ходе испытаний макетов излучателей, конструктивно выполненных аналогично прототипу. В частности, при испытаниях в рабочем режиме излучатель проработал лишь 40 часов при норме >1000 часов. Причина отказов состоит в недостаточной механической прочности электрического монтажа, что подтвердила разборка вышедшего из строя излучателя.

Целью предлагаемого конструктивного решения является устранение указанного недостатка и повышение надежности и долговечности электроакустического цилиндрического излучателя путем повышения механической прочности электрического монтажа при сохранении эффективности излучателя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном излучателе, содержащем секционированный пьезокерамический цилиндр с элементами монтажа, торцевые крепежные фланцы, внутреннюю и наружную герметизирующие оболочки, слой эластичного электроизоляционного материала, заполняющий объем между цилиндром, оболочками и торцевыми фланцами, введены новые признаки, а именно на внутренней поверхности цилиндра расположен кольцевой подслой электроизоляционного компаунда средней жесткости с динамическим модулем упругости в пределах 60 МПа ≤Е_дин≤100 МПа, охватывающий области расположения монтажных элементов, при этом толщина подслоя лежит в пределах h₂>h≥h₁, где h₁ - наибольшее отстояние монтажных элементов от внутренней поверхности цилиндра, h₂ - расстояние от этой же поверхности до внутренней цилиндрической оболочки.

Физическая сущность, по которой достигается положительный эффект, состоит в следующем. Разрушение монтажа при колебаниях излучателя происходит из-за воздействия инерционных сил колеблющейся массы монтажного провода. В результате этого воздействия обрыв монтажа происходит либо в месте пайки (срезывающее усилие) или в месте основания монтажного лепестка (изгибающие усилия, возникающие при колебаниях монтажного лепестка как консольной балки). Введение подслоя компаунда средней жесткости позволяет закрепить монтажные лепестки и монтажные провода между собой и внутренней поверхностью цилиндра, образуя единую монолитную конструкцию. В этой конструкции отсутствуют смещения отдельных деталей монтажа относительно друг друга и внутренней поверхности цилиндра, что во много раз повышает механическую прочность монтажа.

Использование заливочного компаунда средней жесткости имеет свои причины. Остановимся на них подробнее. Применяемые в настоящее время заличвочные компаунды можно разделить по величине динамического модуля упругости (Е_дин) на три группы: эластичные, средней жесткости и жесткие. Типы некоторых компаундов и значения их динамических моделей упругости приведены в таблице.

 Тип компаундаДинамический модуль упругости Е_дин, МПаПУ-ЗК (эластичный)5СКУ ПФЛ-74 (средней жесткости)60-100УП 592-11 (жесткий)1000-1500

Исследования отдельных цилиндрических излучателей в воде или цилиндрических колебательных систем в воздухе, в которых электрический монтаж залит тем или иным компаундом, показали следующее. При заливке эластичным компаундом невозможно обеспечить достаточную монолитность конструкции цилиндра и элементов монтажа и соответственно механическую прочность монтажа. Компаунд средней жесткости типа СКУ ПФЛ-74 обеспечивает прочность и монолитность конструкции. При этом оба компаунда выдерживают отрицательные температурные перепады при эксплуатации излучателей и испытаниях, предусмотренных ГОСТ. Жесткий компаунд обеспечивает прочность монтажа, но не выдерживает воздействия эксплуатационных и испытательных температур.

Таким образом, только компаунд средней жесткости одновременно обеспечивает механическую прочность монтажа и устойчивость конструкции к воздействию отрицательных температурных перепадов.

Однако компаунд средней жесткости не обеспечивает механической развязки торцов цилиндра от крепежных фланцев, поэтому для этой цели по-прежнему необходимо использование электроизоляционной жидкости или эластичного компаунда. Причем важно, чтобы слой эластичного электроизоляционного материала целиком охватывал цилиндрическую колебательную систему. Это нужно для того чтобы избежать появления механических потерь при колебаниях излучателя, которые могут возникнуть при контакте внутренней резиновой оболочки с материалами (компаундами) разной жесткости, а также по технологическим соображением для облегчения заливки внутреннего объема эластичным материалом. При этом эффективность излучателя (в частности, электроакустический коэффициент полезного действия) сохраняется.

Авторам неизвестны технические решения, содержащие признаки, отличающие предложенное решение от прототипа, что позволяет считать это решение отвечающим критерию "существенные отличия".

Сущность предложения поясняется чертежом, где схематически показано поперечное сечение предлагаемого излучателя.

Предлагаемый цилиндрический излучатель содержит секционированный пьезокерамический цилиндр (1), склеенный из пьезокерамических призм с тонкими (˜0,2 мм) латунными электродами между ними. Электроды имеют лепестки с головками (2), направленные внутрь цилиндра. Однополярные электроды соединяются между собой монтажным проводом (3), который припаивается к головке каждого лепестка. По торцам пьезокерамического цилиндра расположены крепежные фланцы (4), к которым привулканизированы внутренняя (5) и наружная (6) резиновые герметизирующие оболочки. Объем между цилиндром, оболочками и торцевыми фланцами заполнен эластичным электроизоляционным материалом (7). В соответствии с предложением на внутренней поверхности цилиндра расположен кольцевой подслой (8) электроизоляционного компаунда средней жесткости, охватывающий область расположения монтажных элементов.

Излучатель работает следующим образом. При подаче переменного электрического напряжения на вход излучателя пьезокерамический цилиндр вследствие пьезоэффекта начинает совершать пульсирующие колебания, которые через слой электроизоляционного компаунда и резиновые герметизирующие оболочки передаются в воду, создавая в ней переменное по величине звуковое давление (акустический сигнал). В зависимости от типа антенны, в которой используется излучатель, его внутренняя полость, а также часть наружной поверхности могут быть экранированы акустическими экранами (на чертеже не показаны).

Технико-экономический эффект от использования предложенного электроакустического цилиндрического излучателя заключается в увеличении долговечности и надежности его конструкции, которая достигается за счет повышения механической прочности электрического монтажа введением подслоя заливочного компаунда средней жесткости, полностью покрывающего элементы монтажа и плотно скрепляющего их между собой и внутренней поверхностью пьезокерамического цилиндра.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке мощных низкочастотных электроакустических цилиндрических излучателей. Сущность: электроакустический излучатель содержит секционированный пьезокерамический цилиндр с элементами электрического монтажа, внутреннюю и внешнюю цилиндрические герметизирующие оболочки, торцевые крепежные фланцы и слой эластичного электроизоляционного материала. При этом секционированный пьезокерамический цилиндр расположен между цилиндрическими герметизирующими оболочками и торцевыми крепежными фланцами соответственно с зазорами, а зазоры заполнены слоем эластичного электроизоляционного материала. Кроме того, на внутренней поверхности секционированного пьезокерамического цилиндра расположен кольцевой подслой электроизоляционного компаунда с динамическим модулем упругости в пределах 60 МПа ≤Е_дин≤100 МПа, охватывающий области расположения элементов электрического монтажа. При этом толщина подслоя электроизоляционного компаунда h₂>h≥h₁, где h₁ - максимальная длина в радиальном направлении частей элементов электрического монтажа, выступающих относительно внутренней поверхности секционированного пьезокерамического цилиндра, h₂ - расстояние между внутренней поверхностью цилиндрической герметизирующей оболочки и внутренней поверхностью секционированного цилиндра. Технический результат: повышение надежности и долговечности. 1 ил.

Электроакустический излучатель, содержащий секционированный пьезокерамический цилиндр с элементами электрического монтажа, внутреннюю и внешнюю цилиндрические герметизирующие оболочки, торцевые крепежные фланцы и слой эластичного электроизоляционного материала, причем секционированной пьезокерамический цилиндр расположен между цилиндрическими герметизирующими оболочками и торцевыми крепежными фланцами соответственно с зазорами, а зазоры заполнены слоем эластичного электроизоляционного материала, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности путем увеличения механической прочности электрического монтажа, на внутренней поверхности секционированного пьезокерамического цилиндра расположен кольцевой подслой электроизоляционного компаунда с динамическим модулем упругости в пределах 80 МПа ≤Е_дин≤100 МПа, охватывающий области расположения элементов электрического монтажа, при этом толщина подслоя электроизоляционного компаунда лежит в пределах h₂>h≥h₁, где h₁ - максимальная длина в радиальным направлении частей элементов электрического монтажа, выступающих относительно внутренней поверхности секционированного пьезокерамического цилиндра, h₂ - расстояние между внутренней поверхностью цилиндрической герметизирующей оболочки и внутренней поверхностью секционированного цилиндра.