Гидроакустический цилиндрический преобразователь

 

Изобретение относится к гидроакустике. Преобразователь содержит пьезокерамические призмы и призмы вставок, жестко соединенные друг с другом по прилегающим плоскостям призм, и наружную оболочку. Призмы вставок выполнены из диэлектрика с модулем Юнга пьезокерамики. Механический результат - снижение резонансного размера преобразователя, увеличение широкополосности в области резонанса и сохранение допустимого электрического напряжения для активных элементов преобразователя. 1 ил.

Известны секционированные (склеенные из отдельных призм) цилиндрические преобразователи, широко применяющиеся для комплектования излучающих антенн подводных лодок. При работе на резонансных частотах продольных колебаний по окружности такие преобразователи имеют диаметр, превышающий длину волны звука в воде на частоте резонанса λ_р. Для антенн с электронным сканированием желательно иметь размеры комплектующих преобразователей, не превышающие 0,5 λ_р÷0,7λ_р.

Авторы предлагают понижать резонансный размер секционированных преобразователей с помощью вставок из диэлектрика с малым модулем Юнга, располагаемых между пьезокерамическими призмами.

Здесь и далее под резонансным размером будем понимать отношение размера, определяемого резонансной частотой преобразователя, к длине звуковой волны в воде на частоте резонанса φ_н/λ_р.

Предлагаемый преобразователь представлен на чертеже. Он состоит из пьезокерамических призм 1, расположенных между призмами вставок 2 из диэлектрика с малым (по сравнению о керамикой) модулем Юнга, наружной герметизирующей оболочки 3. Призмы и вставки жестко соединены друг с другом по прилегающим плоскостям.

Действие в пьезокерамическом кольце вставок, выполненных из материала с модулем Юнга, малым по с равнению о модулем Юнга пьезокерамики, основано на существенном изменении продольной гибкости этого кольца по сравнению с кольцом, в котором такие вставки отсутствуют. Если сравнить два кольца одинакового диаметра и толщины, первое из которых выполнено целиком из пьезокерамики с плотностью ρ_к и модулем Юнга Y_к, а во втором между пьезокерамическими призмами расположены вставки из материала с плотностью ρ_в и модулем Y_в, то во втором кольце резонансная частота (а следовательно, и резонансный размер) будет в ω раз ниже, чем в первом.

где V_к - объем керамики во втором кольце;

V_в - объем вставок во втором кольце.

Мы будем рассматривать случай, когда V_к>V _в, т.е. когда объем кольца занят преимущественно активным материалом. В противном случае в кольце предлагаемой конструкции резко упадет величина допустимого электрического напряжения по сравнению с кольцом без вставок за счет существенного уменьшения объема активного материала.

Из выражения для ω видно, что если V_к>V_в, но Y _в≃Y_к, то ω пренебрежимо мало отличается от единицы. Чтобы при V _к=10 V_в÷15V_в получить существенное изменение резонансной частоты, а следовательно, и интересующего нас резонансного размера, необходимо, чтобы Y_в был не менее чем на порядок меньше Y_к. Так, например, при V_к=10 V_в и Y_в=0,1 Y _к получается снижение резонансного размера в 1,35 раза. Снижение резонансной частоты, вызванное увеличением продольной гибкости кольца, сопровождается соответственным (приблизительно во столько же раз) снижением динамических (разрушающих) напряжений и увеличением широкополосности в режиме излучения.

Авторы заявки проводили эксперименты с макетом преобразователя, используя в качестве материала вставок текстолит, отвечающий отмеченным выше требованиям. Наблюдавшееся снижение частоты хорошо согласовывалось с приведенной выше формулой.

В качестве материала вставок целесообразно использовать диэлектрик, поскольку он не снижает допустимого электрического напряжения для активного элемента преобразователя.

Формула изобретения

Гидроакустический цилиндрический преобразователь, содержащий пьезокерамические призмы и призмы вставок, жестко соединенные друг с другом по прилегающим плоскостям призм, и наружную оболочку, отличающийся тем, что, с целью снижения резонансного размера преобразователя, увеличения широкополосности в области резонанса и сохранения допустимого электрического напряжения для активных элементов преобразователя, в нем призмы вставок выполнены из диэлектрика с модулем Юнга, меньшим модуля Юнга пьезокерамики.

РИСУНКИ