ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Советский патент 2009 года по МПК G01S7/52 

1. Введение.

В настоящее время в антеннах гидроакустических станций часто используются цилиндрические преобразователи. Для минимизации звукового поля антенны в тыльном полупространстве цилиндрические преобразователи экранируются звукоотражателями из материала с волновым сопротивлением (ρc)_э, существенно меньшим (материалы с (ρc)_э>>(ρc)_в применяются редко, поскольку это приводит к большим весам и габаритам, а также ухудшает ряд параметров антенны) волнового сопротивления воды (ρc)_в.

Известен цилиндрический преобразователь, в котором для расширения рабочей полосы частот используется работа отдельных цилиндрических элементов на 0 и 1 модах продольных колебаний цилиндрической оболочки соответственно. Он так же предполагает в своем составе наличие звукоотражателя. Однако, как показали многочисленные исследования, волновые свойства звукоотражателей с (ρс)_э<<(ρc)_в существенно ухудшаются под воздействием гидростатического давления, и для глубин 600÷1000 метров создание таких материалов встречает большие принципиальные трудности, которые до сих пор не разрешены.

Для комплектования глубоководных акустических антенн, излучающих в диапазоне частот в полупространство, предлагается цилиндрический преобразователь, состоящий из цилиндрических активных элементов, работающих на 0 и 1 модах колебаний, имеющих разные толщины и выполненных из материалов с различной скоростью звука, что позволяет обеспечить однонаправленное действие в достаточно широкой полосе частот без использования звукоотражателя.

2. Перечень фигур и пояснения к чертежам.

Схема расположения активных элементов в предлагаемом преобразователе показана на фиг.1.

Здесь 1 - активный элемент, с внешним диаметром ⌀₁, внутренним диаметром ⌀₂, высотой h₁,

2 - активный элемент, с внешним диаметром ⌀₁, внутренним диаметром ⌀₃, высотой h₂,

3 - акустическая развязка между элементами 1 и 2.

На фиг.2 стрелками показано направление колебательной скорости поверхности преобразователя в некоторый момент времени. Элементы 1 и 2 те же, что и на фиг.1.

Фиг.3 представляет собой фазочастотные характеристики колебательной скорости активных элементов 1 и 2, показанных на фиг.1 и 2.

На фиг.4 представлены характеристики направленности преобразователя в горизонтальной плоскости, состоящего из двух активных элементов 1 и 2, (показанных на фиг.1 и 2) при различных значениях κa, где "κ" - волновое число, "a" - наружный радиус элементов 1 и 2.

3. Описание.

Преобразователь состоит из цилиндрических соосных активных элементов, соединенных между собой через акустическую развязку. Активные элементы преобразователя имеют одинаковый внешний диаметр.

Рассматривается конструкция, состоящая из двух активных элементов:

первого, обозначенного на фиг.1 индексом 1, и второго, обозначенного на фиг.1 индексов 2.

Первый элемент предназначен для работы только на нулевой моде (включается без деления электродов). Второй элемент предназначен для работы только на первой моде колебаний (его электроды разделены на 2 равные части и эти части включены навстречу друг другу).

Материалы, из которых изготавливаются активные элементы, имеют различную скорость звука. Так, первый элемент выполнен из материала со скоростью звука C_o, материал второго элемента имеет скорость звука C₁, причем

Электроды первого и второго элементов электрически соединены параллельно.

4. Принцип действия.

Принцип действия преобразователя заключается в следующем: первый элемент возбуждается на нулевой (пульсирующей) моде колебаний, а второй элемент возбуждается на первой (осциллирующей) моде колебаний.

При этом звуковые поля источников нулевой и первой мод в переднем полупространстве усиливают друг друга, а в тыльном - ослабляют (см. фиг.2).

Основным условием обеспечения минимизации излучения в тыльное полупространство является синхронность колебаний обоих элементов на частотах рабочего диапазона. Для этого при питании входящих в преобразователь элементов, работающих на "0" и "1" модах, от одного источника, фазочастотные характеристики колебательной скорости этих элементов должны совпадать в рабочем диапазоне частот. Совпадение резонансных частот каждого из элементов осуществляется за счет изготовления их из материалов с различной скоростью звука. Крутизна фазочастотной характеристики колебательной скорости регулируется толщиной активного элемента.

Как следует из принципа действия, характеристика направленности предлагаемого преобразователя не зависит от гидростатического давления (в силу отсутствия акустического экрана) и сохраняется до глубин, ограниченных лишь механической прочностью преобразователя.

Упомянутое выше условие минимизации излучения в тыльное полупространство выполняется, если, например, изготовить осциллирующий (1 мода) элемент из пьезокерамики VI^го состава (ТУ ЛУ 0707007) с ⌀₁=2a, ⌀₃=0,9×2a и пульсирующий (0 мода) элемент из пьезокерамики III^го состава (ТУ ЛУ 0707007) с ⌀₁=2a, ⌀₂=0,7×2a, с текстолитовыми вставками общей толщиной текстолита Т=0,18×2а. Расчетные фазочастотные характеристики таких колец приведены на фиг.3.

На фиг.4 показаны характеристики направленности в горизонтальной плоскости, рассчитанные при условии работы преобразователя в бесконечном плоском жестком экране, что в значительной степени приближается к работе преобразователя в антенне. Характеристики приведены для разных значений параметра

где λ - длина волны звука в воде, 2a≡⌀₁.

Макет такого преобразователя был изготовлен и испытан. Эксперимент подтвердил результаты теоретического расчета.

Можно отметить, что преобразователь может состоять и из большего количества активных элементов. Расчет показывает, что уже при использовании третьего элемента, работающего на второй моде колебаний, уровень лепестков в тыльном полупространстве еще сильнее понижается и не превышает 5% от давления на оси характеристики направленности в пределах κa<3. Однако полезность введения третьего элемента не очевидна ввиду усложнения конструкции и дополнительных трудностей, связанных с выбором материала для этого элемента.

Следует также заметить, что формирование характеристики направленности в вертикальной плоскости обеспечивается, как обычно, вертикальным набором цилиндрических активных элементов.

Изобретение относится к области гидроакустической техники. Техническим результатом является обеспечение минимизации излучения преобразователя в тыльное пространство в рабочем диапазоне частот, который достигается за счет того, что устройство содержит цилиндрические кольца, одни из которых предназначены для работы на нулевой, а другие - на первой моде механических колебаний по окружности цилиндра. Цилиндрические кольца, входящие в преобразователь, выполнены из активного материала с различной скоростью распространения звука для колец соответствующей моды, выбранной в соотношении C_o=C₁√2, где C₀ - скорость распространения звука в материале, служащем для изготовления кольца, предназначенного для работы на нулевой моде, а C₁ - скорость распространения звука в материале, служащем для изготовления кольца, предназначенного для работы на первой моде. 4 ил.

Гидроакустический цилиндрический преобразователь, содержащий цилиндрические кольца, одни из которых предназначены для работы на нулевой, а другие - на первой моде механических колебаний по окружности цилиндра, отличающийся тем, что, с целью обеспечения минимизации излучения преобразователя в тыльное пространство в рабочем диапазоне частот, входящие в преобразователь кольца выполнены из активного материала с различной скоростью распространения звука для колец соответствующей моды, выбранной в соотношении , где
C₀ - скорость распространения звука в материале, служащем для изготовления кольца, предназначенного для работы на нулевой моде;
C₁ - скорость распространения звука в материале, служащем для изготовления кольца, предназначенного для работы на первой моде.