Гидроакустический преобразователь

 

Изобретение относится к области гидроакустики. Цель - расширение рабочего диапазона частот при сохранении высокой мощности излучения. Цилиндрический элемент выполнен в виде отделенных друг от друга гибкими прокладками соосных пьезоактивных колец, каждое из которых подключено к источнику электрического напряжения через соответствующие линию задержки и усилитель. Акустический экран расположен на всей внешней боковой поверхности цилиндрического элемента. Коэффициенты усиления усилителей линейно возрастают от кольца к кольцу, а время задержки между соседними пьезоактивными кольцами выбрано из соотношения τ=d/c, где d - расстояние между центрами соседних пьезоактивных колец, c - скорость звука в воде. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области акустического приборостроения и может найти применение при проведении океанологических исследований, в антеннах рыбопоисковых, навигационных и гидрогеологических станций. Известен гидроакустический преобразователь, содержащий совокупность соосных пьезоактивных колец, возбуждаемых через линии задержки и усилители. Недостатком преобразователя является большая неравномерность частотных характеристик в прямом и обратном направлениях. Известен гидроакустический преобразователь, содержащий цилиндрический элемент в виде отделенных друг от друга гибкими прокладками соосных пьезоактивных колец, внутренняя цилиндрическая поверхность которых снабжена звукомягким экраном. Недостатком этого преобразователя является ограниченная ширина рабочего диапазона частот, определяемая акустической добротностью пьезоактивного кольца. Целью изобретения является расширение рабочего диапазона частот при сохранении высокой мощности излучения, а также увеличение равномерности частотных характеристик излучения в прямом и обратном направлениях. На фиг. 1 дана схема возбуждения гидроакустического преобразователя; на фиг. 2 - график зависимости ширины рабочего диапазона частот и уровня звукового давления от относительной длины преобразователя. Гидроакустический преобразователь (см. фиг. 1) представляет собой цилиндрический элемент и состоит из n соосных пьезоактивных колец 1, отделенных друг от друга гибкими прокладками 2 и подключенных к источнику 3 электрических напряжений через линию 4 задержки и усилитель 5 мощности. Внешняя цилиндрическая поверхность преобразователя снабжена акустическим экраном 6. В направлении роста номера n пьезоактивных колец линия 4 задержки обеспечивает последовательное увеличение от кольца к кольцу времени задержки подаваемого электрического напряжения с шагом τ =d/c, где d - расстояние между центрами соседних пьезоактивных колец; C - скорость звука в жидкости, заполняющей внутреннюю полость преобразователя в его рабочем состоянии, а усилитель 5 мощности - линейный рост коэффициентов усиления, например, по закону U₁= Up + (i-1) причем P = = 0,1 ...0,3, где U₁, U_i и U_n - амплитуды электрических напряжений, подаваемых на пьезоактивные кольца с номерами 1, i и n. Сущность изобретения состоит в том, что во внутренней полости преобразователя, образованной соосными пьезоактивными кольцами и заполняемой окружающей его жидкостью, формируется канализированное акустическое поле, преимущественно распространяющееся в направлении роста времени задержки и амплитуды электрического напряжения. В указанном направлении происходит усиление акустического поля благодаря синфазному суммированию акустических волн, излучаемых каждым последующим пьезоактивным кольцом. В результате последовательно увеличивается нагруженность пьезоактивных колец (работают как бы на более плотную среду), уменьшается их акустическая добротность и расширяется рабочий диапазон частот преобразователя. При этом сохраняется достаточно высокий уровень излучения ввиду вклада в него каждого пьезоактивного кольца. Гидроакустический преобразователь работает следующим образом. Преобразователь погружают в воду или в электроизолирующую жидкость (при работе в обтекателе), и его внутренняя полость заполняется окружающей жидкой средой через открытые торцы. При подаче электрического напряжения на линию 4 задержки сигналы, задержанные во времени, через усилители 5 мощности поступают на пьезоактивные кольца 1, возбуждая в них радиальные колебания. Акустический экран 6 (пористые материалы, воздух или элегаз) устраняет излучение в среду, окружающую преобразователь, и излучаемые кольцами акустические волны создаются только во внутренней водозаполненной полости преобразователя. Распространяясь вдоль оси преобразователя в двух противоположных направлениях, эти волны интерферируют одна с другой. В направлении колец, возбуждаемых с нарастающей временной задержкой, происходит усиление акустического поля ввиду синфазного сложения акустических волн, а в обратном направлении - его ослабление, чем достигается однонаправленность преобразователя. Так, при n ≥ 10 уровень обратного излучения по звуковому давлению в рабочем диапазоне частот преобразователя не превышает 10%. Благодаря усилению акустического поля в прямом направлении преимущественного излучения каждое из последующих колец оказывается нагруженным на большее по сравнению с предыдущим активное сопротивление излучения, что приводит к уменьшению акустической добротности колец и расширению рабочего диапазона частот всего преобразователя. Линейный рост амплитуд электрических напряжений способствует выравниванию вдоль преобразователя амплитуд колебательной скорости пьезоактивных колец. Область частот, в которой удается поддерживать примерное равенство амплитуд колебательной скорости колец, определяет рабочий диапазон частот преобразователя. Этот диапазон частот может достигать нескольких октав и становится тем шире, чем больше относительная длина преобразователя nd/a, где a - внутренний радиус пьезоактивного кольца . С ростом n увеличивается число колец, дающих вклад в суммарное акустическое поле, излучаемое в прямом направлении. Это позволяет сохранять неизменным уровень излучения при расширении рабочего диапазона частот преобразователя. На фиг. 2 показан рост рабочего диапазона частот (в октавах) гидроакустического преобразователя в зависимости от его суммарной длины nd/a=L/a и механической добротности Q пьезоактивного кольца: кривая 7-Q=3; кривая 8-Q= 2. Зависимость звукового давления P для обоих значений Q представлена кривой 9. M = где d_ik - пьезомодуль, S^E_кк - упругая податливость, η -КПД. Важным параметром широкополосных преобразователей является равномерность их частотной характеристики. В рассматриваемом гидроакустическом преобразователе необходимым для этого условием является требование распространения плоской волны вдоль водозаполненной полости преобразователя; ка<3,83 (к - волновое число воды). Условием сохранения однонаправленности преобразователя в рабочем диапазоне частот служит условие отсутствия добавочного максимума: kd< π. С целью увеличения равномерности частотной характеристики излучения как в прямом, так и в обратном направлениях целесообразно выполнение условия d/a ≅ 0,8. Конструкция и принцип работы предлагаемого гидроакустического преобразователя позволяет путем параллельного набора преобразователей осуществить сравнительно простую их компоновку в антенне, обеспечивающей требуемую характеристику направленности. В этом случае излучающая апертура антенны будет определяться системой выходных отверстий преобразователей. При условии достаточной нагруженности предлагаемый преобразователь обеспечивает линейность фазочастотной характеристики и удельную мощность излучения во всем рабочем диапазоне частот не меньшую, чем предельно возможная для синфазно возбуждаемого электрическим напряжением цилиндрического элемента, излучающего внешней боковой поверхностью. Таким образом, предлагаемый гидроакустический преобразователь является достаточно мощным широкополосным однонаправленным преобразователем, способным эффективно излучать (принимать) сложные акустические сигналы.

Формула изобретения

1. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий цилиндрический элемент в виде отделенных друг от друга гибкими прокладками соосных пьезоактивных колец, каждое из которых подключено к источнику электрического напряжения, причем одна из поверхностей цилиндрического элемента снабжена акустическим экраном, отличающийся тем, что, с целью расширения рабочего диапазона частот при сохранении высокой мощности излучения, каждое пьезоактивное кольцо подключено к источнику электрического напряжения через соответствующие линию задержки и усилитель, а акустический экран расположен на всей внешней боковой поверхности цилиндрического элемента, причем коэффициенты усиления усилителей линейно возрастают от кольца к кольцу, а время задержки между соседними пьезоактивными кольцами выбрано из соотношения τ = d / c где d - расстояние между центрами соседних пьезоактивных колец; c - скорость звука в воде. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения равномерности частотных характеристик излучения в прямом и обратном направлениях, расстояние между центрами соседних пьезоактивных колец и их внутренний радиус a связаны соотношением d/a ≅ 0,8.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002        

---