ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Советский патент 2009 года по МПК G01S7/52 

Изобретение может найти применение в создании низкочастотного (f<100 Гц) гидроакустического пьезокерамического преобразователя на большую мощность излучения.

Известен низкочастотный пьезокерамический пластинчатый биморфный преобразователь, пьезокерамика в котором расположена по одну сторону от нейтральной плоскости при изгибе, например, для частоты f≃30 Гц. Он имеет длину L=1360 мм при толщине колеблющейся пластины h=32 мм, преобразователь неармирован. Известные технические решения армирования прямоугольных пластинчатых преобразователей струной и клином в низкочастотных преобразователях применены быть не могут, т.к. из-за большой длины и малой толщины колеблющейся пластины не осуществить равномерного поджатия пьезокерамики. Может быть использовано армирование предварительным изгибом.

Недостатком известного преобразователя, таким образом, является малая акустическая мощность излучения из-за малой прочности пьезокерамики на растяжение.

Целью предлагаемой конструкции является увеличение мощности излучения путем армирования пьезокерамики, создание возможности регулирования уровня армирующего напряжения при одновременной возможности регулирования резонансной частоты.

Поставленная цель достигается введением в конструкцию дополнительной съемной негерметичной пластины из пассивного материала (например, металла) и стягиванием ее болтом (шпилькой) с биморфной пластиной.

Сущность изобретения поясняется схематичными чертежами (фиг.1, 2), где в качестве примера рассмотрен прямоугольный пластинчатый изгибный преобразователь.

Конструкция низкочастотного пластинчатого преобразователя содержит биморфную пластину, состоящую из слоя активного материала (пьезокерамики) 1 и слоя пассивного материала (металла) 2. Толщина слоев обычно выбирается такой, чтобы при изгибе нейтральная плоскость проходила по металлу. Биморфная пластина по контуру частично (прямоугольный изгибный преобразователь) или полностью (круглый изгибный преобразователь) опирается на корпус 3 и помещена активным материалом внутрь. В предлагаемом техническом решении с внешней стороны биморфной пластины дополнительно вводится с зазором по отношению к ней съемная негерметичная пластина 4 из пассивного материала (например, металла) с ребрами жесткости 6. Зазор определяется величиной прогиба пассивной и биморфной пластин при требуемом армировании. Контур дополнительной пластины так же соответственно частично или полностью соединен с корпусом. Середины обеих пластин (биморфной и пассивной) притягиваются друг к другу механически, например, болтами 5. В результате принудительного изгиба биморфной пластины в пьезокерамике создаются напряжения сжатия σ_арм. (напряжения армирования). На фиг.1 справа показана эпюра напряжений по толщине биморфной пластины в рабочем режиме. При действии гидростатического давления при этом создается напряжение σ_ст. предварительного изгиба - (армирования) σ_арм. и динамических напряжений σ_дин.. Уровень напряжения армирования, σ_арм., определяется, исходя из обеспечения прочности керамики в динамическом режиме, σ_дин., с добавлением к нему статического напряжения σ_ст. от действия гидростатического давления. Должно быть:

В случае использования компенсации действия гидростатического давления σ_ст. может быть равно нулю.

Дополнительным преимуществом предлагаемого преобразователя является то, что уровень армирующего напряжения регулируем. Введенную пластину 4, с целью достижения в ней необходимой жесткости при минимально возможном весе, следует выполнять с ребрами жесткости 6. Набор таких съемных пластин разной жесткости позволяет регулировать резонансную частоту преобразователя.

Основными преимуществами предлагаемой конструкции являются:

1. Повышенная акустическая мощность.

2. Применение пассивных пластин различной жесткости и применение болтового соединения позволяют регулировать соответственно резонансную частоту и уровень напряжения армирования.

3. При хранении преобразователя эта конструкция позволяет снимать сжимающее напряжение, что уменьшает процесс старения пьезокерамики.

Для проверки работоспособности предлагаемой конструкции был спроектирован, изготовлен и испытан макет преобразователя, в пьезокерамике которого при помощи дополнительной пластины были созданы максимальные сжимающие напряжения σ_арм.≃400 кг/см², что позволило пьезокерамической пластине работать с σ_дин.≃300 кг/см², вместо σ_дин.≃30 кг/см² для неармированной пластины, т.е. увеличить амплитуду колебания в 10 раз, и соответственно мощность излучения - на 2 порядка. При этом размеры дополнительной пластины были выполнены так, что резонансная частота уменьшилась всего на 5%, а вес всего преобразователя увеличился на 20%. Соотношение жесткостей биморфной и дополнительной пластин было принято 3:1.

Гидроакустический преобразователь содержит корпус с установленной в нем биморфной пластиной с пьезокерамическим слоем и армирующий элемент. Армирующий элемент выполнен в виде закрепленной по контуру на корпусе пластины из пассивного материала с ребрами жесткости, установленной с зазором относительно биморфной пластины со стороны, обращенной в рабочую среду. При этом середины обеих пластин соединены между собой, например, с помощью болтовых соединений. Технический результат - повышение предела излучаемой мощности. 2 ил.

Гидроакустический преобразователь, содержащий корпус с установленной в нем биморфной пластиной с пьезокерамическим слоем и армирующий элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения предела излучаемой мощности, армирующий элемент выполнен в виде закрепленной по контуру на корпусе пластины из пассивного материала с ребрами жесткости, установленной с зазором относительно биморфной пластины со стороны, обращенной в рабочую среду, причем середины обеих пластин соединены между собой, например, с помощью болтовых соединений.