Гидроакустический излучатель

 

Использование: изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в гидроакустических низкочастотных широкополосных стержневых пьезокерамических излучателях. Изобретение позволяет уменьшить продольный размер излучателя, повысить его надежность, уменьшить неравномерность частотной характеристики и обеспечить ее регулировку без изменения выходных размеров излучателя в процессе создания. Сущность изобретения: в гидроакустическом излучателе, содержащем стержневой пьезоэлемент 6, армированный стяжкой 5, переднюю 1 и тыльную 2 накладки и массивную 4 и гибкую 3 вставки у передней накладки, гибкая 3 пассивная вставка выполнена как одно целое с передней накладкой 1 и имеет форму стакана, дно которого жестко соединено со стержневым пьезоэлементом 6. Массивная пассивная вставка 4 размещена внутри этого стакана с зазором относительно его стенок и передней накладки 1 и скреплена с дном стакана. При этом армирующая стяжка 5 жестко соединена с массивной пассивной вставкой 4. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относятся к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности низкочастотных стержневых пьезокерамических излучателей.

Стержневые преобразователи с массивными накладками широко применяются в гидроакустике для работы на низких частотах [1].

Такие преобразователи обладают рядом преимуществ, в том числе более широкой полосой частот и уменьшенными волновыми размерами. В случае большой асимметрии конструкции, т.е. когда вес тыльной накладки значительно (на порядок и более) превышает вес передней накладки, колебания тыльной накладки существенно меньше, чем передней, и не требуется экранирования тыльной поверхности излучателя.

Известны патенты [2,3], в которых описаны такие преобразователи асимметричной конструкции.

В патенте Великобритании [4] рассмотрен стержневой преобразователь с пьезоэлементом, разделенным на две части пассивной вставкой, с помощью которой он крепится к корпусу.

Общим недостатком таких стержневых преобразователей, работающих в режиме излучения, является все же недостаточная широкополостность и наличие в рабочей области частот только одного резонанса.

В патенте США [5] рассматривается гидроакустический излучатель у которого стержневой пьезоэлемент состоит из двух частей, разделенных массивной пассивной металлической вставкой (массой). Таким образом, вместе с двумя накладками образуется механическая колебательная система из пяти компонентов: массы-гибкости-массы-гибкости-массы.

Такая система обладает двумя резонансами, расположение которых зависит от параметров компонентов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому излучателю является вариант конструкции излучателя по патенту [5], выполненный с пассивной гибкой вставкой вместо пьезоэлемента у передней накладки.

Недостатком этого излучателя является большая длина армирующей стальной стяжки, соединяющей все пять последовательно составленных компонентов колебательной системы. В результате частота продольного резонанса стяжки может оказаться в пределах рабочего диапазона частот преобразователя, что в этом случае приведет, во-первых, к появлению глубокого провала излучаемой мощности на частоте резонанса стяжки, а во-вторых, повлечет за собой снижение механической прочности и надежности преобразователя, так как возбуждаемая на резонансе собственных колебаний стяжка быстро разрушается от действия больших динамических напряжений. Этот недостаток усугубляется в том случае, когда для формирования требуемых частотных характеристик приходится существенно увеличивать гибкость и массу пассивных вставок, находящихся между передней накладкой и стержневым пьезоэлементом. При этом также возрастают продольные габариты излучателя, что всегда нежелательно при установке его на объекте, особенно когда из таких излучателей формируется антенна, тем более если антенна имеет цилиндрическую форму и продольный размер излучателя ограничен радиусом цилиндра.

Задачей настоящего изобретения является создание широкополосного низкочастотного излучателя с уменьшенной неравномерностью частотной характеристики и с уменьшенными продольными габаритами.

Для решения поставленной задачи в известном гидроакустическом излучателе, содержащем стержневой пьезоэлемент и армирующую стяжку, которые жестко соединены с тыльной накладкой, а также гибкую и массивную пассивные вставки, расположенные между стержневым пьезоэлементом и пассивной накладкой, введены новые признаки, а именно: гибкая пассивная вставка выполнена как одно целое с передней накладкой и имеет форму стакана, дно которого жестко соединено со стержневым пьезоэлементом, массивная пассивная вставка размещается внутри этого стакана с зазором относительно его боковой поверхности и внутренней поверхности передней накладки и скреплена с дном стакана, при этом армирующая стяжка жестко соединена с массивной пассивной вставкой. В результате продольный размер стяжки в предлагаемой конструкции преобразователя по сравнению с известной сокращается на величину суммарной длины гибкой и массивной вставок, что приводит к выравниванию частотных характеристик в рабочем диапазоне, а общая длина преобразователя уменьшается на длину массивной вставки при сохранении диапазона частот.

Дополнительным преимуществом предлагаемой конструкции является возможность регулировки (изменения) частотной характеристики преобразователя путем изменения массы массивной вставки и площади поперечного сечения гибкой вставки без изменения размеров всех остальных элементов конструкции преобразователя и при сохранении всех его габаритных размеров, что может быть полезно в ряде практических применений.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена конструкция предлагаемого гидроакустического излучателя, на фиг. 2 - его частотные характеристики.

Излучатель содержит переднюю 1 и тыльную 2 накладки, гибкую вставку 3 и массивную 4, которая размещена внутри стакана гибкой вставки 3, выполненной как одно целое с передней накладкой 1.

Стяжка 5 скрепляет стержневой пьезоэлемент 6 с тыльной накладкой 2 и передней накладкой 1 через выполненную с ней за одно целое гибкой пассивной вставкой 3.

Благодаря тому, что гибкая вставка 3 выполнена как одно целое с передней накладкой 1 и имеет форму стакана, обеспечивается возможность сокращения длины стяжки, так как не требуется армирования места соединения передней накладки 1 с гибкой вставкой 3.

Излучающая накладка 1 соединена с тыльной накладкой 2 с помощью резинового уплотнения 7, выполняющего роль акустической развязки.

Герметизация внутренней полости излучателя осуществляется также с помощью крышки 8 и герметичного ввода кабеля 9.

Передняя накладка 1 и гибкая вставка 3 выполнены из легкого металла - алюминия или титана, а тыльная накладка 2, массивная вставка 4 и стяжка 5 - из стали.

Стержневой активный элемент 6 склеен из поляризованных пьезокерамических шайб, одноименные по знаку поляризации электроды соединены параллельно и выводятся за пределы внутреннего объема преобразователя с помощью стойких и гидростатическому давлению приводов через специальные уплотнения 9.

При создании преобразователя, предназначенного для работы на низких частотах - в диапазоне ниже 10 кГц длина стержневого пьезоэлемента составляет порядка 15 см, а продольные размеры гибкой вставки 3 и массивной вставки 4 могут достигнуть 10 см.

Резонансная частота продольных колебаний стяжки f_ст определяется скоростью распространения колебаний в материале стяжки C_ст в соответствии с формулой: f_ст = С_ст/(2l_ст).

Таким образом, при общей длине стяжки порядка 20 см (длина пьезоэлемента 15 см и толщина дна тыльной накладки 2 и гибкой вставки 3 - 5 см) ее резонансная частота составит f_ст = 12,5 кГц, т.е. будет лежать выше верхней границы рабочего диапазона частот (выше 10 кГц).

В то же время при выполнении преобразователя по прежней схеме длина стяжки увеличится на суммарную длину гибкой и массивной вставок и составит соответственно 40 см.

При этом f_ст = 6,25 кГц, т.е. частота собственного резонанса стяжки оказалась бы в пределах рабочего диапазона частот, что привело бы к искажению частотной характеристики и снижению механической прочности преобразователя.

В таблице и на фиг. 2 иллюстрируются возможности регулировки частотной характеристики излучателя при изменении массы и гибкости пассивных вставок.

Из таблицы видно, что, изменяя площадь гибкой вставки и массу массивной вставки, можно в широких пределах регулировать частоту второго резонанса излучателя f₂ (≈ в 1,7 раза), практически мало влияя на частоту первого резонанса f₁. На фиг. 2 представлены две частотные характеристики излучаемой преобразователем акустической мощности, соответствующие двум крайним строкам таблицы: 1 - верхней, 2 - нижней.

Работа устройства осуществляется следующим образом: электрический сигнал заданной частоты или заданного спектрального состава, лежащего в пределах рабочего диапазона частот, подается через провода 9 на электроды стержневого элемента 6, в результате вследствие действия пьезоэлемента возбуждаются механические напряжения в стержневом элементе 6, вызывающие продольные механические колебания всех элементов конструкции.

Максимальные колебания будет совершать передняя легкая накладка 1, эти колебания будут излучаться в окружающую среду, создавая в ней переменные акустические давления соответствующей частоты, распространяющиеся в направлении, заданном геометрией антенны. Колебания дна тяжелой тыльной накладки будут существенно меньше, что обеспечит отсутствие паразитного тыльного излучения. Вследствие того, что резонансная частота стяжки 5 лежит вне рабочего диапазона, на рабочих частотах в материале стяжки будут возникать малые механические напряжения, не представляющие опасности для ее механической прочности.

Таким образом заявленный эффект, заключающийся в уменьшении продольного габарита излучателя, повышений его надежности, уменьшения неравномерности и обеспечении возможности регулировки частотной характеристики излучателя, достигнут.

Формула изобретения

Гидроакустический излучатель, содержащий стержневой пьезоэлемент и армирующую стяжку, которые жестко соединены с тыльной накладкой, а также гибкую и массивную пассивные вставки, расположенные между стержневым пьезоэлементом и передней накладкой, отличающийся тем, что гибкая пассивная вставка выполнена как одно целое с передней накладкой и имеет форму стакана, дно которого жестко соединено со стержневым пьезоэлементом, массивная пассивная вставка размещена внутри этого стакана с зазором относительно его боковой поверхности и внутренней поверхности передней накладки и скреплена с дном стакана, при этом армирующая стяжка жестко соединена с массивной пассивной вставкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3