Пьезоэлектрический стержневой преобразователь

Авторы патента:

Михайлов Геннадий Александрович (RU)

H04R1/44 - специальные приспособления для использования под водой, например для гидрофонов

Владельцы патента RU 2469495:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) (RU)

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано при конструировании многоэлементных дискретных гидроакустических антенн. Сущность: пьезоэлектрический стержневой преобразователь предназначен для встраивания в толстостенный корпус антенны из полимерного материала, имеющий выпуклую криволинейную форму. Преобразователь содержит армированный шпилькой активный элемент в виде набора из пьезокерамических шайб, переднюю стаканообразную накладку и тыльную накладку в виде гайки. Стаканообразная передняя накладка, высота которой равна толщине толстостенного полимерного корпуса, имеет конический участок, примыкающий к ее рабочей поверхности, для фиксации пьезоэлектрического стержневого преобразователя вровень с наружной поверхностью толстостенного полимерного корпуса. На наружной цилиндрической части поверхности передней стаканообразной накладки выполнены по крайней мере две канавки, в которых размещены резиновые уплотнительные кольца, демпфирующие колебания стаканообразной передней накладки, для закрепления пьезокерамического стержневого преобразователя в отверстии толстостенного полимерного корпуса, развязки от него и герметизации. Технический результат: уменьшение продольного размера, возможность встраивания в многоэлементную антенну большой кривизны и малых волновых размеров. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано при конструировании многоэлементных дискретных гидроакустических антенн.

При разработке гидроакустической аппаратуры важное место занимает вопрос минимизации массогабаритных размеров создаваемых приборов наряду с обеспечением высокого качества их характериcтик.

Известны конструкции стержневых электроакустических преобразователей, которые для уменьшения их продольного размера снабжены передней и тыльной пассивными накладками (см., например, [1] стр.98, рис.6.1а, б). Такие преобразователи, как правило, содержат активный элемент, выполненный в виде набора пьезокерамических шайб, армированного металлической стяжкой, переднюю и тыльную накладки, одна из которых, в данных примерах тыльная, выполнена стаканообразной, при этом край стакана обращен в сторону передней излучающей накладки.

Достоинство этого преобразователя состоит в компактности его конструкции, недостатком же его является возможность возникновения колебаний стенки стаканообразной накладки на своей собственной резонансной частоте - так называемый «колокольный эффект», что обычно приводит к искажению частотных характеристик преобразователя. Кроме того, здесь не полностью использованы возможности минимизации поперечного размера преобразователя, так как при его индивидуальной герметизации корпус цилиндрической формы, обычно связанный полимерным узлом развязки с боковой поверхностью края конической части передней накладки, препятствует применению такой конструкции в дискретных многоэлементных антеннах, имеющих общий контур герметизации.

Следует отметить, что применение индивидуальной герметизации преобразователей в многоэлементных дискретных гидроакустических антеннах приводит к снижению их надежности и технологичности при одновременном повышении трудозатрат в процессе изготовления.

Известны конструкции стержневых пьезоэлектрических преобразователей, работающих в составе многоэлементных антенн, не имеющих индивидуальной герметизации [2, 3]. Их герметизация имеет общий контур и осуществляется герметичной конструкцией антенны. У преобразователей этих антенн стаканообразной выполнены как передняя, так и тыльная накладка и предприняты меры для устранения «колокольного эффекта» в стаканообразных накладках. Преобразователи [2, 3] компактны и не вносят искажений в характеристики направленности (ХН) многоэлементных антенн, созданных на их основе.

Пьезоэлектрический стержневой преобразователь [3] является наиболее близким аналогом заявляемому. Он имеет активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб, армированных металлической стяжкой, переднюю и тыльную стаканообразные накладки, направленные краями друг к другу. На стенки стаканообразных накладок с натягом надеты резиновые манжеты.

Рассмотренные пьезоэлектрические стержневые преобразователи [2, 3] предназначены только для установки в антенны, имеющие общую накладку. В настоящее время большое распространение получают гидроакустические многоэлементные антенны, апертура которых имеет выпуклую криволинейную форму, в том числе форму тел вращения, например в виде цилиндра или сферы [4]. Тенденции развития гидроакустической антенной техники предполагают снижение весов и габаритов гидроакустических антенн. Это может быть достигнуто, если корпус антенны выполнен из современного полимерного материала.

Конструкция преобразователя [3] не позволяет встраивать его в дискретную гидроакустическую многоэлементную антенну, имеющую толстостенный корпус из полимерного материала, имеющий в общем случае выпуклую криволинейную наружную поверхность, радиус которого составляет около 3-х длин волн в среде на средней частоте рабочего диапазона.

Задачей изобретения является создание конструкции преобразователя с уменьшенными размерами в осевом направлении и в поперечном направлении в тыльной области преобразователя для встраивания в гидроакустическую дискретную антенну, имеющую толстостенный корпус из полимерного материала, что весьма актуально при проектировании вышеуказанных антенн с минимизированными массагабаритными размерами.

Техническим результатом заявленного пьезоэлектрического стержневого преобразователя является оптимизация его конструкции при работе в составе многоэлементной дискретной антенны выпуклой формы, имеющей толстостенный полимерный корпус большой кривизны при малых волновых размерах.

Для обеспечения указанного технического результата пьезоэлектрический стержневой преобразователь для гидроакустической многоэлементной антенны, вставленный заподлицо в ее толстостенный полимерный корпус преимущественно криволинейный с радиусом, по крайней мере, в одной из плоскостей 3 длины волны в среде на средней частоте рабочего диапазона, содержит армированный шпилькой активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб, переднюю стаканообразную накладку и тыльную накладки в виде гайки, причем стаканообразная передняя накладка, высота которой равна толщине толстостенного полимерного корпуса, имеет конический участок, примыкающий к ее рабочей поверхности для фиксации пьезоэлектрического стержневого преобразователя вровень с наружной поверхностью толстостенного полимерного корпуса, при этом на наружной цилиндрической части поверхности передней стаканообразной накладки выполнены, по крайней мере, две канавки, в которых размещены резиновые уплотнительные кольца, демпфирующие колебания стаканообразной передней накладки, для закрепления пьезокерамического стержневого преобразователя в отверстии толстостенного полимерного корпуса, развязки от него и герметизации.

Заявленное техническое решение обеспечило существенное уменьшение продольного размера стержневого пьезоэлектрического преобразователя, уменьшение поперечного размера тыльной накладки за счет выполнения ее в виде гайки, а не стакана и технологичность встраивания в полимерный толстостенный корпус антенны, что позволяет встраивать его в антенну большой кривизны и малых волновых размеров.

Для упрощения технологии сборки и уменьшения продольного размера пьезоэлектрического стержневого преобразователя его электрический монтаж выполнен посредством двух гирлянд, каждая из которых состоит из тонких металлических шайб, выполненных заедино с перемычками, длина которых несколько превышает удвоенную толщину пьезокерамической шайбы, при этом при сборке активного элемента каждая из тонких металлических шайб одной гирлянды, чередующихся с тонкими металлическими шайбами другой гирлянды, находится между двумя смежными пьезокерамическими шайбами и соединяет их электроды одинаковой полярности, причем перемычки гирлянд смещены друг относительно друга на 90° вокруг оси активного элемента и образуют арки, электрически изолированные от поверхности активного элемента.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, где представлена конструкция пьезоэлектрического стержневого преобразователя, который содержит переднюю стаканообразную накладку 1, активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб 2, гирлянду плюсового электрода 3, уплотнительные кольца 4, тыльную накладку 5 в виде гайки, армирующий шпильку 6 и гирлянду 7 минусового электрода, перемычки которой смещены вокруг оси преобразователя на угол 90° относительно перемычек гирлянды 3.

На фиг.1 показано поперечное сечение преобразователя, на котором видно, что перемычки гирлянд 3 и 7 изогнуты в виде арки над боковой поверхностью набора пьезокерамических шайб 2.

Работа заявленного пьезоэлектрического стержневого преобразователя в режиме излучения происходит следующим образом: на пьезокерамические шайбы 2 через электрические выводы в виде гирлянд 3 и 7 подается электрическое напряжение сигнала, необходимое для возбуждения механических колебаний, обеспечивающих излучение звуковых волн с излучающей поверхности передней накладки 1 в окружающую среду. При работе преобразователя в режиме приема на электрических выводах 3 и 7 регистрируется сигнал, появляющийся при вынужденных механических колебаниях преобразователя, возникающих от воздействия звуковых волн, падающих на поверхность передней накладки 1.

При механических продольных колебаниях пьезоэлектрического стержневого преобразователя из-за влияния связанных с ними поперечных колебаний стенки стаканообразной накладки на частотных характеристиках преобразователя могут возникать нежелательные паразитные резонансы, которые в результате предложенного в заявке конструктивного технического решения и благодаря демпфирующему действию уплотнительных колец вообще исключаются; одновременно с этим уплотнительные кольца обеспечивают фиксацию преобразователя в толстостенном полимерном корпусе, акустическую развязку от него и герметизацию конструкции корпуса. При этом выполнение тыльной накладки в виде шайбы позволяет встраивать преобразователи в толстостенный полимерный корпус большой кривизны.

Применение предложенной конструкции электрических выводов преобразователя в виде цельнометаллических гирлянд значительно упрощает конструкцию его токоведущих частей, благодаря этому она становится более компактной, механически прочной и менее трудоемкой в изготовлении, при этом повышается также надежность и долговечность преобразователя.

Источники информации

1. Подводные электроакустические преобразователи: (Расчет и проектирование). Справочник / В.В.Богородский, Л.А.Зубарев, Е.А.Корепин, В.И.Якушев. - П., Судостроение, 1983.

2. Патент США №3974474 по кл. H04R 1/44 на «Подводный электроакустический преобразователь», опубликован 10.08.1976 г.

3. Патент РФ №2303336 по кл. H04R 1/44, H04R 17/00 на «Гидроакустическую многоэлементную антенну и пьезоэлектрический стержневой преобразователь для такой антенны», опубликован 26.02.2007 г. - прототип

4. Патент Франции №2709909 по кл. H04R 1/44 на «Гидроакустическую антенну со сферическим корпусом», опубликован 17.03.1995 г.

1. Пьезоэлектрический стержневой преобразователь для гидроакустической многоэлементной антенны, вставленный заподлицо в ее толстостенный полимерный корпус, преимущественно криволинейный, с радиусом, по крайней мере, в одной из плоскостей 3 длины волны в среде на средней частоте рабочего диапазона, содержит армированный шпилькой активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб, переднюю стаканообразную накладку и тыльную накладку в виде гайки, причем стаканообразная передняя накладка, высота которой равна толщине толстостенного полимерного корпуса, имеет конический участок, примыкающий к ее рабочей поверхности, для фиксации пьезоэлектрического стержневого преобразователя вровень с наружной поверхностью толстостенного полимерного корпуса, при этом на наружной цилиндрической части поверхности передней стаканообразной накладки выполнены, по крайней мере, две канавки, в которых размещены резиновые уплотнительные кольца, демпфирующие колебания стаканообразной передней накладки, для закрепления пьезокерамического стержневого преобразователя в отверстии толстостенного полимерного корпуса, развязки от него и герметизации.

2. Преобразователь по п.1, в котором электрический монтаж выполнен посредством двух гирлянд, каждая из которых состоит из тонких металлических шайб, выполненных заедино с перемычками, длина которых несколько превышает удвоенную толщину пьезокерамической шайбы, при этом каждая из тонких металлических шайб одной гирлянды, чередующихся с тонкими металлическими шайбами другой гирлянды, находится между двумя смежными пьезокерамическими шайбами и соединяет их электроды одинаковой полярности, причем перемычки гирлянд смещены друг относительно друга на 90° вокруг оси активного элемента и образуют арки, электрически изолированные от поверхности активного элемента.

Изобретение относится к гидроакустике. .

Электроакустическая подводная антенна // 2449495

Изобретение относится к электроакустической подводной антенне согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. .

Пьезоэлектрический преобразователь // 2445748

Широкополосный гидроакустический преобразователь // 2393645

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн гидроакустических станций различного назначения, а также - для систем звукоподводной связи.

Гидроакустический преобразователь волноводного типа // 2393644

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн гидроакустических станций различного назначения, а также - для систем звукоподводной связи.

Гидрофон // 2393643

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в морях и океанах для измерения параметров морских шумов. .

Гидрофон // 2392767

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для измерений параметров гидроакустического шума в морских средах. .

Акустический скважинный излучатель бегущей волны // 2378667

Изобретение относится к области геофизики и прикладной гидроакустики и может быть использовано в мощных звуковых устройствах обработки продуктивных зон нефтяных и водяных скважин, а также для акустического профилирования верхнего слоя земной коры.

Гидрофон на поверхностных акустических волнах // 2368099

Изобретение относится к акустоэлектронным устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано в качестве приемника гидроакустических сигналов, распространяющихся в жидкой среде (гидрофон) преимущественно для создания беспроводных дистанционных гидроакустических систем буйкового типа с передачей информации по радиоканалу с частотной модуляцией несущей радиосигнала, а также в качестве датчика статического давления на ПАВ.

Антенный модуль с цифровым выходом // 2366104

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при изготовлении гидроакустических антенн. .

Антенный модуль прецизионного доплеровского лага для глубоководного подводного аппарата // 2477011

Изобретение относится к области подводной техники и может быть использовано при проектировании и разработке доплеровских измерителей абсолютной скорости движения подводных объектов относительно дна

Способ возбуждения стержневого гидроакустического преобразователя // 2485715

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн навигационных, рыбопоисковых, и другого назначения гидроакустических станций, а также для систем звукоподводной связи

Способ определения пространственного смещения акустического центра гидрофона относительно его геометрического центра // 2516607

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при измерениях с использованием фазовых характеристик чувствительности гидроакустических преобразователей, использовании преобразователей в многоэлементной гидроакустической антенне либо фазированной антенной решетке. Техническим результатом, полученным от внедрения изобретения, является повышение точности определения положения акустического центра гидрофона. Для достижения поставленного технического результата гидрофон и излучатель располагают в измерительном бассейне, ориентируя гидрофон опорным направлением на излучатель, облучают гидрофон сигналами излучателя и принимают сигнал гидрофоном, затем, не меняя положения геометрического центра гидрофона относительно излучателя, разворачивают гидрофон на 180°, принимают сигнал излучателя и измеряют изменение временной задержки сигнала, принятого гидрофоном, при изменении направления приема с опорного на противоположное опорному, смещение акустического центра гидрофона относительно геометрического центра в направлении приема рассчитывают как произведение полученной временной задержки на скорость звука в воде. 2 ил.

Способ контроля работоспособности измерительного тракта в натурных условиях и гидрофонный тракт для его реализации // 2526897

Изобретения относятся к измерительной технике и метрологии и могут быть использованы для проверки работоспособности измерительных трактов (ИТ), работающих в тяжелых рабочих условиях. Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является контроль работоспособности ИТ. Данный технический результат достигают за счет того, что на измерительный преобразователь (ИП) ИТ подают при отключенном ИП сначала первый тестовый сигнал (в виде сигналов белого шума), а затем второй, но другой спектральной плотности. Затем измеряют отклики ИТ на первый и второй тестовые сигналы. Если отклики на тестовые сигналы находятся в том же соотношении, что и сами тестовые сигналы, то диагностируют работоспособность ИТ. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Гидролокационная фазированная антенная решетка с полимерным покрытием // 2528142

Изобретение относится к области гидролокации и может быть использована при конструировании антенн гидролокационных станций. Технический результат состоит в создании технологичной конструкции гидролокационной фазированной антенной решетки с заданной полосой пропускания преобразователей и повышенным сроком службы. Для этого в гидролокационную фазированную антенную решетку с полимерным покрытием, содержащую пьезоэлементы, установленные на плоском основании в корпусе, и имеющую наружный герметизирующий слой со стороны ее рабочей поверхности, выполненный из звукопрозрачного полиуретана, между наружным герметизирующим слоем и рабочей поверхностью пьезоэлементов введено дополнительное композитное звукопрозрачное покрытие, выполненное из уретанового герметика, обладающее сдвиговыми потерями, добротность колебательной системы состоящей из пьезоэлемента и дополнительного звукопрозрачного слоя уменьшается, что ведет к расширению полосы пропускания. Величина полосы пропускания регулируется толщиной слоя из уретанового герметика величина которого лежит в пределах от λг/8 до λг/4, где λг - длина волны звука в материале герметика. Наружный герметизирующий слой адгезионно связан с дополнительным композитным звукопрозрачным покрытием и корпусом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Гидролокационные антенные решетки // 2528549

Изобретение относится к гидроакустической технике и предназначено для использования в многоканальных гидроакустических системах. Гидролокационные антенные решетки состоят из пьезокерамических элементов, содержат излучающую антенную решетку и приемную антенную решетку, каждая из которых выполнена в единой модульной конструкции. Гидролокационные антенные решетки изготовлены на основе единого металлического корпуса на основании которого с одной стороны закреплены пьезокерамические элементы, герметизированные звукопрозрачным полимерным покрытием, адгезионно связанным с основанием, а с противоположной стороны основания закреплены радиаторы тепловыделяющих электроэлементов многоканального генераторного устройства в излучающей антенной решетке и многоканального приемного устройства в приемной антенной решетке. Основание корпуса перфорировано круглыми сквозными отверстиями, что обеспечивает повышенный теплоотвод от радиаторов в окружающую среду за счет увеличения площади охлаждения и защиту пьезокерамических элементов от перегрева. Технический результат - обеспечение надежной работы антенных решеток при повышенном тепловыделении в малом замкнутом объеме модуля. 3 ил.

Векторное приемное устройство // 2533323

Изобретение относится к области гидроакустики. Векторное приемное устройство содержит звукопрозрачную раму и векторный приемник, связанные между собой посредством подвеса. При этом подвес выполнен в виде замкнутого линейного элемента с распределенной по длине массой, закрепленного в двух точках на звукопрозрачной раме и двух точках на векторном приемнике, причем точки подвеса делят длину линейного элемента на четыре равные части, а замкнутый линейный элемент выполнен с равномерно распределенной по длине массой. Причем замкнутый линейный элемент выполнен в виде цепи из металлических или пластмассовых звеньев и обладает отрицательной плавучестью. При этом суммарная плавучесть подвеса и векторного приемника меньше или равна нулю. Технический результат - повышение точности измерений. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Антенный модуль с цифровым выходом // 2539819

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при изготовлении многоэлементных приемных гидроакустических антенн. Предложена конструкция антенного модуля с цифровым выходом, содержащая однорядную (либо двухрядную) акустическую антенную решетку и герметичный контейнер, в котором размещен блок предварительной обработки сигналов (ПОС) с уплотнением информации и общий обтекатель с заливкой зазоров между антенной и обтекателем, а также между рядами антенны эластомером. В подобной единой конструкции антенна не связана механическими элементами крепления с корпусом носителя, что позволяет уменьшить уровень структурной помехи, попадающей на антенну, и создать целостность тыльного покрытия, расположенного на корпусе носителя. Заполнение зазора между обтекателем и антенной эластомером демпфирует обтекатель и уменьшает уровень изгибных волн, возникающих при воздействии на обтекатель помех гидродинамического происхождения. Эти обстоятельства в сочетании с повышенной помехозащищенностью антенного модуля при воздействии электромагнитной помехи (связанной с отсутствием соединительных кабелей между антенной и блоком ПОС) позволяют создать помехоустойчивую конструкцию, технологичную при изготовлении и установке на носитель, имеющую малое количество кабелей, входящих в основной корпус. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ возбуждения гидроакустического волноводного преобразователя и его устройство // 2543684

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке направленных эффективных волноводных преобразователей для гидроакустических средств различного назначения. Сущность изобретения заключается в том, что возбуждение волноводного преобразователя включает процесс преобразования электрической энергии в энергию распространяющейся в упругом волноводе вытекающей волны. При этом возбуждение волны производят стержневым пьезопакетом, инверсно расположенным во внутреннем пространстве полого газозаполненного цилиндрического волновода, а инверсию фронта продольной волны в пространстве обеспечивают ее отражением от внешней ненагруженной поверхности согласующей накладки. Технический результат заключается в обеспечении направленного акустического поля с низким уровнем тыльного излучения, работе в широкой полосе частот с сохранением обратимости, высокой чувствительности и излучаемой мощности, значительном уменьшении массогабаритных характеристик. 2 н. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Комбинированный гидроакустический приемник // 2569201

Изобретение относится к метрологии, в частности к измерительным средствам, используемым в гидроакустике. Гидроакустический приемник содержит сферический корпус с элементами упругого подвеса, пьезоэлементы и груз, контактирующий с корпусом через пьезоэлементы, установленные на одинаковых расстояниях от центра корпуса по трем взаимно ортогональным осям по два пьезоэлемента на каждый канал. Также устройство содержит регистраторы трех компонент колебательной скорости и звукового давления, сумматор, три вычитающих устройства и шесть предварительных усилителей, три из которых выполнены с регулируемым коэффициентом усиления. При этом все пьезоэлементы выполнены с одинаковой полярностью, в каждый канал входят предварительный усилитель и предварительный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, положительные электроды каждой пары пьезоэлементов соединены через усилители с входами соответствующего вычитающего устройства и подключены к входам сумматора, а отрицательные соединены с землей. При этом выходы вычитающих устройств подключены к входам регистраторов, соответствующих компонент колебательной скорости, а выход сумматора - к регистратору звукового давления. Технический результат - упрощение конструкции. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.