ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Советский патент 2006 года по МПК H04R1/44 H04R17/00 

В настоящее время при проектировании низкочастотных гидроакустических преобразователей довольно часто останавливаются на вариантах пластичных пьезоэлектрических приборов.

С точки зрения надежной и эффективной работы на больших глубинах различают следующие виды конструктивного оформления таких пластинчатых преобразователей.

1. Преобразователи типа "звуковая ячейка", в которых плоские рабочие пластины выполнены полностью из пьезокерамики, а между пластинами находится легко сжимаемая среда (например, воздух) при нормальном давлении. Эти преобразователи весьма эффективны. Их основным недостатком следует считать малую статическую прочность при воздействии наружного гидростатического давления.

2. Преобразователи аналогичны упомянутым в п.1, но с автоматической воздушной компенсацией (когда воздух между пластинами имеет давление, равное наружному гидростатическому давлению). Такие преобразователи эффективны и имеют достаточную статическую прочность, но их основным недостатком является сложность осуществления автоматической компенсации.

3. Преобразователи, в которых одна половина плоской рабочей пластины (находящаяся под действием гидростатического давления в фазе растяжения) выполнена из металла, а другая половина выполнена из пьезокерамики. Полость между пластинами заполнена воздухом при нормальном давлении. Эти преобразователя более устойчивы к разрушающему действию гидростатического давления, чем преобразователи, упомянутые в п.1. Их основным недостатком является существенное снижение эффективности по сравнению с предыдущими преобразователями за счет использования полупассивных рабочих пластин.

4. Преобразователи с жидкостной компенсацией, когда полость между плоскими пьезокерамическими пластинами полностью заполнена жидкостью, имеющей давление, равное наружному. Такие преобразователи устойчивы к любым практически встречающимся гидростатическим давлениям. Их основным недостатком является малая эффективность по сравнению с преобразователями, упомянутыми в пп.1 и 2, при использовании в широкой полосе частот.

Предлагается конструкция преобразователя, прямоугольная пластина которого имеет начальную кривизну и оперта на неподвижные опоры. В силу этого предлагаемая конструкция не имеет основных недостатков плоских пластинчатых преобразователей, указанных в пп.1-4 введения.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, ЕГО КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ

Предлагаемый пьезокерамический преобразователь состоит из двух рабочих пластин.

На фиг.1 показана одна из таких пластин (1) длиной l, шириной b, толщиной d с постоянным или переменным радиусом ρ (b - размер, перпендикулярный плоскости чертежа).

Пластина шарнирно опирается по линии нейтральной плоскости по всей ширине b.

При воздействии внешнего (гидростатического или звукового в фазе сжатия) давления в наружной половине пластины возникают касательные напряжения сжатия. Эти напряжения в сечениях под различными углами (α₁, α₂, α₃ см. фиг.1) обусловлены двумя причинами:

а) продольным сжатием за счет реакции опор σ_сж;

б) изгибом пластины, опертой на шарнирные опоры σ_и.

Наличие составляющей σ_сж в изогнутой пластине дает положительный эффект по сравнению с плоским пластинчатым элементом, где напряжение σ_сж отсутствует.

Действительно, если изогнутая пластина в предлагаемом преобразователе выполнена полностью из активного материала, то наличие сжимающих напряжений σ_сж, вызванных гидростатическим давлением упрочняет пластины, частично компенсируя опасные растягивающие напряжения σ_и и приводящие к разрушению преобразователя под воздействием внешнего гидростатического давления или больших динамических напряжений при излучении большой мощности. Если же изогнутая рабочая пластина в предлагаемом преобразователе выполнена с пассивной металлической внутренней половиной, то при воздействии звукового давления наличие в керамике напряжений σ_сж, складывающихся на низких частотах в одной фазе с σ_и, повышает чувствительность преобразователя в режиме приема. Предлагаемая изогнутая рабочая поверхность пластинчатого преобразователя обладает еще тем конструктивным преимуществом, что при герметизации поверхности эластичным материалом (например, резиной), последний можно одеть с натягом по всей рабочей поверхности, обеспечив плотное его облегание.

Имея в виду перечисленные выше преимущества предлагаемого преобразователя, можно использовать его вместо пластинчатых преобразователей, например, для

- глубоководных излучателей и приемников, когда требуется повышенная устойчивость к внешнему давлению при сохранении параметров, близких к параметрам полностью активного плоского пластинчатого преобразователя;

- глубоководных излучателей и приемников, когда требуется повышенная широкополосность и эффективность при механической прочности, не меньшей, чем у конструкций преобразователей с плоскими полупассивными рабочими пластинами.

РЕЗУЛЬТАТЫ МАКЕТИРОВАНИЯ

Для проверки работы приемника предлагаемого типа был изготовлен макет, сечение которого в натуральную величину схематично показано на фиг.2.

Активными элементами служили две пьезокерамические изогнутые пластины (1), представляющие собой 1/9 часть полого секционированного (склеенного из отдельных призм) цилиндра диаметром 420 мм, толщиной 15 мм, высотой 90 мм. Края пластины через металлические вкладыши (2) шарнирно опираются на неподвижную массивную центральную вставку (3). Электрические выводы от пьезокерамики были сделаны отдельно от наружной и от внутренней половин пластин, что позволяло включать наружную и внутреннюю половины пластин.

а) встречно (как у плоских изгибных преобразователей),

б) раздельно.

Герметизация осуществлялась слоем резины (4), которая плотно обтягивала рабочую поверхность.

а) При включении обеих половин пластин "встречно" четко проявляется изгибный резонанс изогнутой пластины.

На частоте этого изгибного резонанса (1,4 кГц) значение γ (1,4 кГц) = 400 мкВ/бар. Однако столь высокое значение чувствительности быстро спадает как в сторону низких, так и в сторону более высоких частот.

б) При включении только одной наружной половины пластин как и при встречном включении проявляется изгибный резонанс. Значения чувствительности в точке резонанса несколько меньше, чем при "встречном" включении обеих половин рабочих пластин, тот имеет ют же порядок. Зато более высокое значение чувствительности оказывается в полосе двух октав на частотах 0,5-2,0 кГц, что весьма важно.

Существенно увеличивается чувствительность на частотах, лежащих ниже изгибного резонанса.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть применено в качестве глубоководного излучателя и приемника. Сущность: гидроакустический пьезокерамический преобразователь содержит две идентичные прямоугольные рабочие пластины, закрепленные на шарнирных опорах симметрично относительно нейтрали колебательной системы преобразователя. При этом рабочие пластины выполнены изогнутыми и размещены вогнутостью в сторону механической нейтрали колебательной системы преобразователя. Технический результат: повышение точности измерения в условиях температурных возмущений. 2 ил.

Гидроакустический пьезокерамический преобразователь, содержащий две идентичные прямоугольные рабочие пластины, закрепленные на шарнирных опорах симметрично относительно механической нейтрали колебательной системы преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения механической прочности преобразователя, в нем рабочие пластины выполнены изогнутыми и размещены вогнутостью в сторону механической нейтрали колебательной системы преобразователя.