ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Советский патент 2009 года по МПК B06B1/06 G01S7/52 

Предлагаемое изобретение может быть использовано при разработке широкополосных гидроакустических излучателей.

Известен гидроакустический цилиндрический преобразователь (см. патент США №3.142.035), активный элемент которого представляет собой круговой цилиндр, составленный из жестко соединенных (склеенных) друг с другом по прилегающим плоскостям пьезокерамических призм 1 и призм гибких пассивных вставок 2, распределенных по окружности цилиндра (см. фиг.1). Наличие гибких вставок, которые могут быть выполнены, например, из диэлектрика, перфорированного металла или любого другого материала с эффективным (приведенным) модулем Юнга, меньшим модуля Юнга пьезокерамики, позволяет снизить резонансную частоту нулевой моды продольных колебаний известного преобразователя без увеличения его диаметра по сравнению с цилиндрическим преобразователем, выполненным целиком из пьезокерамики.

Наряду с этим в известном преобразователе пропорционально резонансной частоте нулевой моды снижаются также и частоты высших мод колебаний (например, первой, второй и т.д.). В результате при выбранных размерах колебательной системы известного преобразователя его резонансные частоты f_i имеют вполне определенные, фиксированные значения и находятся в соотношении, строго подчиняющемся закону

,

где f₀ - резонансная частота нулевой моды колебаний,

i - номер моды колебаний.

Это является недостатком известного преобразователя, так как в ряде практических случаев при работе преобразователя на нескольких модах колебаний необходимо иметь иное соотношение частот.

Например, при разработке широкополосных низкочастотных трактов излучения гидролокационных станций целесообразно для расширения рабочей полосы частот использовать цилиндрические излучатели, работавшие на двух модах колебаний - нулевой и первой. При этом частоты этих мод в ряде случаев для обеспечения нужной равномерности частотной характеристики должны отличаться друг от друга меньше, чем в раз, как это следует из приведенной выше формулы. Расширение полосы достигается в этом случае за счет работы на двух близко расположенных резонансных частотах, наподобие связанных контуров в радиотехнике.

Отметим здесь, что гидроакустический преобразователь эффективно излучает лишь на частотах резонанса колебательной системы и близких к ним. Поэтому работа вне резонансной области с целью расширения рабочей полосы частот приводит к резкому уменьшению излучаемой акустической мощности.

Предлагается цилиндрический преобразователь, работающий на нулевой и одной из высших мод (первой, второй и т.д.), продольных колебаний по окружности, в котором соотношение между частотами указанных мод колебаний отличается от соотношения, определенного по закону , в меньшую сторону. Иными словами, эти частоты могут быть сближены в требуемых пределах.

В отличие от известного преобразователя в активном элементе предлагаемого преобразователя (см. фиг.2) гибкие пассивные вставки локализованы в строго определенных местах - в областях пучностей (т.е. максимальных значений) распределения по окружности нормальной составляющей колебательной скорости одной из высших мод продольных колебаний цилиндра по окружности.

Работу предлагаемого преобразователя рассмотрим на примере преобразователя, включаемого для работы на нулевой и первой моде продольных колебаний (фиг.2 и 3). Из рассмотрения фиг.2 и 3, на которых представлено два варианта использования пассивных вставок - сплошной и расчлененный, видно, что в отличие от известного преобразователя гибкие пассивные вставки 2 локализованы в двух областях пучностей распределения по окружности нормальной составляющей колебательной скорости первой моды продольных колебаний. Расчленение вставок в пучностях (фиг.3) позволяет регулировать соотношение между частотами нулевой и первой моды колебаний.

Рассмотрим отдельно работу предлагаемого преобразователя на нулевой и первой моды и сравним с работой известного преобразователя. Нулевая мода продольных колебаний цилиндра характеризуется равномерным распределением нормальной составляющей колебательной скорости (и механических напряжений) по окружности. Вследствие этого локализованные гибкие пассивные вставки в предлагаемом преобразователе позволяют снизить частоту нулевой мода по сравнению с частотой цилиндра, выполненного целиком из пьезокерамики, на ту же величину, что и распределенные вставки известного преобразователя. При этом в обоих случаях имеется ввиду одинаковый объем пассивного материала активного элемента.

Рассмотрим теперь работу преобразователя при включении на первую моду колебаний.

Первая мода характеризуется неравномерным распределением 3 колебательной скорости по окружности цилиндра (фиг.2, 3). В связи с тем, что в предлагаемом преобразователе призмы пассивных вставок локализованы в областях пучностей нормальной составляющей колебательной скорости, т.е. весь объем пассивного материала испытывает наибольшие деформации, резонансная частота первой моды снижается значительно больше, чем частота первой моды известного преобразователя. В результате резонансные частоты нулевой и первой моды колебаний сближаются.

Аналогичный эффект имеет место и при локализации вставок в областях пучностей нормальной составляющей колебательной скорости других высших мод колебаний (второй и т.д.).

Для проверки предложенной конструкции были изготовлены и испытаны два макета преобразователей, один из которых соответствовал известному, а второй - предлагаемому преобразователю. В качестве активного материала в макетах была использована пьезокерамика ЦТБС-3. Пассивные вставки были выполнены из текстолита марки ПТК. Общий объем пассивного материала для обоих макетов был одинаков и составлял 20% от объема активного элемента.

Значения резонансных частот нулевой и первой моды продольных колебаний обоих макетов представлены в таблице.

Таблица Нулевая модаПервая модаИзвестный преобразователь2,6 кГц3,7 кГцПредлагаемый преобразователь2,6 кГц3,1 кГц

Из приведенных данных видно, что в предлагаемом преобразователе частота первой моды колебаний расположена значительно ближе к частоте нулевой моды, чем у известного преобразователя. Это обеспечивает большую равномерность частотной характеристики в режиме излучения предлагаемого преобразователя по сравнению с известным. В этом случае для обеспечения одновременной работы на нулевой и первой моде колебаний следует электрически возбуждать половину кольца, как показано на фиг.4, экранированную акустическим экраном 4.

Гидроакустический преобразователь содержит цилиндрический активный элемент, собранный из пьезокерамических призм и призм-вставок из пассивного материала, имеющего приведенный модуль Юнга меньше, чем модуль Юнга пьезокерамики. Призмы-вставки размещены в областях пучностей распределения по окружности нормальной составляющей колебательной скорости высшей моды, а их число соответствует номеру высшей моды колебаний. Технический результат - повышение равномерности частотной характеристики в режиме излучения. 1 табл., 4 ил.

Гидроакустический преобразователь, содержащий цилиндрический активный элемент, собранный из пьезокерамических призм и призм-вставок из пассивного материала, имеющего приведенный модуль Юнга меньше, чем модуль Юнга пьезокерамики, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности частотной характеристики в режиме излучения, в нем призмы-вставки размещены в областях пучностей распределения по окружности нормальной составляющей колебательной скорости высшей моды, а их число соответствует номеру высшей моды колебаний.