Резонансная гидроакустическая антенна

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности гидроакустических антенн, герметизированных полимерами. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности антенны в режимах излучения и приема. Антенна содержит стержневые электроакустические преобразователи 1, основание 2, на котором укреплены преобразователи 1, отражающие боковые акустические экраны 3. Зазоры между преобразователями 1 и между преобразователями 1 и боковыми акустическими экранами 3 заполнены эластичным полимером 4, а для герметизации антенны использован жесткий полимер 5. 2 ил.

 

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности гидроакустических антенн, герметизированных полимерами.

Известны предназначенные для использования в ультразвуковом диапазоне частот гидроакустические антенны, содержащие стержневые электроакустические преобразователи; элементы конструкции (основания или общие накладки), на которых закреплены преобразователи; элементы экранирования; жидкий электроизоляционный материал, которым заполнены внутренние полости антенн, и элементы герметизации (см., например, справочник «Подводные электроакустические преобразователи», Л., Судостроение, 1983, с.98, 99). Наличие во внутренних полостях жидкостей обусловливает необходимость в сложных элементах герметизации и компенсации наружного гидростатического давления и тепловых колебаний объема жидкости.

В современных антеннах для герметизации антенн и заполнения зазоров между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами используются полимеры (как правило, полиуретаны).

Наиболее близким к заявленному техническому решению является многоэлементная гидроакустическая антенна по патенту RU 2363115, МПК H04R 1/44, H04R 17/00, опубл. 27.07.2009.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: стержневые преобразователи, отражающие акустические экраны, основание, герметизирующий полимер.

Указанная антенна наиболее близка к заявляемой и выбрана за прототип.

Герметизирующий полимер должен быть водонепроницаемым в течение срока эксплуатации антенны и достаточно прочным для защиты антенны от механических повреждений в процессе эксплуатации. Таким требованиям удовлетворяют относительно жесткие полимеры, имеющие твердость по шкале Шор А порядка 75 условных единиц и более.

В антенне-прототипе в качестве герметизирующего материала и материала, заполняющего зазоры между соседними стержневыми преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами, используется один и тот же полимер, который для обеспечения водонепроницаемости и защиты антенны должен быть достаточно жестким. При колебаниях стержневых преобразователей в области их резонансных частот возникают деформации растяжения-сжатия по высоте (резонансному размеру). В связи с тем, что полимер адгезионно связан с боковыми поверхностями преобразователей, значительная часть механической энергии преобразователей расходуется на деформации растяжения-сжатия жесткого полимера, то есть жесткий полимер демпфирует преобразователи. Это приводит к снижению КПД антенны и чувствительности в режимах излучения и приема, то есть к снижению эффективности антенны. Необходимо отметить, что:

- оптимальным материалом для заполнения зазоров является газ;

- при заполнении зазоров электроизоляционной жидкостью эффективность антенны снижается незначительно;

- использование указанных материалов в сочетании с герметизирующим полимером практически невозможно.

Задачей изобретения является повышение эффективности антенны.

Технический результат заявляемого изобретения - повышение КПД и чувствительности антенны в режимах приема и излучения.

Технический результат изобретения достигается тем, что в гидроакустической антенне, содержащей стержневые электроакустические преобразователи, основание, отражающие боковые акустические экраны, полимер, заполняющий зазоры между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами, и герметизирующий антенну полимер, зазоры между преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами заполнены эластичным полимером, а для герметизации антенны использован жесткий полимер.

Экспериментально на макетах антенн было установлено, что при использовании для заполнения зазоров эластичных полимеров, имеющих твердость по шкале Шор А порядка 40 условных единиц и менее, параметры антенн аналогичны параметрам, достигаемым при заполнении зазоров жидкостью.

При колебаниях стержневых преобразователей возникают деформации растяжения-сжатия по высоте (резонансному размеру). В связи с тем, что адгезионно связанный с боковыми поверхностями преобразователей полимер эластичен, часть механической энергии преобразователей, расходуемая на деформации растяжения-сжатия полимера, незначительна, то есть эластичный полимер практически не демпфирует преобразователи. Соответственно, практически не снижаются КПД антенны и чувствительность в режимах излучения и приема.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующим материалом частного случая использования решения в антенне гидролокатора бокового обзора, апертура которой имеет большой размер (порядка нескольких десятков длин волн в воде на рабочей частоте) в одной плоскости и малый размер (порядка длины волны и менее) в перпендикулярной плоскости.

На фиг.1 изображен поперечный разрез заявляемой антенны, на фиг.2 - разрез в плоскости, в которой лежат рабочие поверхности преобразователей, формирующие апертуру антенны.

Резонансная гидроакустическая антенна содержит стержневые электроакустические преобразователи 1, установленные на основании 2; отражающие боковые акустические экраны 3; эластичный полимер 4, заполняющий зазоры между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами; и герметизирующий антенну жесткий полимер 5.

Элементы электрических коммуникаций и тыльной экранировки преобразователей 1 на фигурах не показаны, так как они не влияют на возможность использования изобретения. Тыльные экраны могут входить в конструкции преобразователей или основания.

Направление резонансных колебаний (деформаций растяжения- сжатия) каждого из стержневых преобразователей параллельно нормали к его рабочей поверхности, контактирующей с герметизирующим антенну полимером.

Стержневые электроакустические преобразователи могут выполняться как в виде отдельных пьезоэлементов, так и содержать активные (пьезоэлектрические) слои и слои из пассивных материалов, адгезионно связанные с активными слоями. Форма и размеры преобразователей в плоскостях, перпендикулярных к основанию, не влияют на возможность использования предлагаемого технического решения. Так, преобразователи могут быть чисто стержневыми, в которых поперечные размеры не превышают половину резонансного размера, или стержневыми протяженными, в которых поперечные размеры (или один из них) превышают (превышает) резонансный размер (термин «протяженные стержневые преобразователи» не является общепринятым, но используется в патенте на антенну-прототип). Боковые экраны могут выполняться из акустически мягкого материала (например, пенопласта) или из акустически жесткого материала (металла), при этом в качестве боковых экранов могут использоваться стенки корпуса антенны. Принципы выбора расстояния между преобразователями и боковыми экранами известны из технической литературы (см., например, В.Е. Глазанов. Экранирование гидроакустических антенн. Л., Судостроение, 1986). Указанные особенности конструкций не влияют на возможность использования изобретения.

Заявляемая антенна работает следующим образом. При подведении к стержневым электроакустическим преобразователям 1 электрического напряжения на частоте, близкой к частоте их резонанса, и при падении на рабочие поверхности преобразователей звуковой волны аналогичной частоты возбуждаются резонансные колебания преобразователей, при которых возникают деформации преобразователей вдоль их резонансных размеров. При этом деформации преобразователей вызывают деформации прилегающего к преобразователям полимера 4, которым заполнены зазоры между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами. Таким образом, часть механической энергии преобразователей 1 расходуется на деформацию полимера 4. Поскольку полимер 4 достаточно эластичен (твердость по шкале ШОР А порядка 40 условных единиц и менее), то он легко поддается растяжению и сжатию, вследствие чего расходуемая на деформацию часть энергии преобразователей незначительна и преобразователи не демпфируются, то есть практически не ухудшаются их параметры.

Для выявления технического эффекта были изготовлены два экспериментальных образца антенн с рабочей частотой 100 кГц, конструкции которых аналогичны приведенной на фигуре. В образце №1 для герметизации и для заполнения зазоров между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами использовался жесткий полимер с твердостью по шкале Шор А 78 условных единиц. В образце №2 для герметизации использовался тот же полимер, а зазоры были заполнены, в соответствии с заявляемым техническим решением, эластичным полимером с твердостью по шкале Шор А 38 условных единиц. Измерения параметров образцов проведены в гидроакустическом бассейне. Сравнительные параметры образцов характеризуются коэффициентами:

k1 - отношение чувствительности в режиме излучения образца №2 к той же чувствительности образца №1;

k2 - отношение чувствительности в режиме приема образца №2 к той же чувствительности образца №1;

k3 - отношение электроакустического КПД образца №2 к тому же КПД образца №1.

В результате испытаний получены величины k1=1,3; k2=1,38; k3=1,22.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения приводит к существенному увеличению эффективности антенны.

Изобретение может найти применение при разработке предназначенных для использования в ультразвуковом диапазоне частот гидроакустических антенн, содержащих стержневые электроакустические преобразователи и герметизируемых полимерами.

Резонансная гидроакустическая антенна, содержащая стержневые электроакустические преобразователи, основание, боковые отражающие акустические экраны, полимер, заполняющий зазоры между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами, и герметизирующий антенну полимер, отличающаяся тем, что зазоры между преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами заполнены эластичным полимером, а для герметизации антенны использован жесткий полимер.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области медицинской диагностики и направлено на создание ультразвукового нелинейного томографа, содержащего малое количество приемных и излучающих преобразователей, преимущественно для маммографии, дефектоскопии и неразрушающего контроля различных объектов.

Изобретение относится к области акустической метрологии и, в частности, к пьезоэлектрическим преобразователям. Пьезоэлектрический преобразователь состоит из двух одинаковых поперечно поляризованных пьезоэлектрических пластин, направления линейных поляризаций которых взаимно ортогональны.

Использование: для ультразвуковой дефектоскопии объектов. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой преобразователь поверхностных волн содержит пьезоэлементы, имеющие возможность соединения с ультразвуковым дефектоскопом, акустический изолятор, корпус, при этом пьезоэлементы преобразователя, поляризованные по толщине, установлены на одну из граней перпендикулярно рабочей поверхности, расположены на расстоянии друг от друга, большем пространственной длительности зондирующего импульса (L>τc), акустически изолированы друг от друга и электрически соединены совместно или раздельно с тактовым, или синхронным включением.

Использование: для измерения расстояния, оставшееся до препятствия, при парковке автомобиля. Сущность: заключается в том, что ультразвуковой датчик (100) имеет корпус (101) с круговой боковой стенкой (102) и дном (104), па котором размещен преобразовательный элемент (106) для формирования ультразвуковых колебаний, при этом боковая стенка (101) имеет нижний участок (108), на котором боковая стенка (102) в параллельной дну (104) плоскости имеет в основном вращательно-асимметричный профиль, и верхний участок (114), на котором боковая стенка (102) в направлении ее верхнего края (116) переходит в по существу вращательно-симметричный профиль.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к акустическим датчикам. Акустический датчик содержит пьезоэлектрическую подложку, общий электрод, расположенный на одной стороне пьезоэлектрической подложки, набор первых электродных структур, расположенных на противоположной стороне пьезоэлектрической подложки относительно общего электрода, причем каждая первая электродная структура расположена радиально относительно условной центральной точки и содержит набор электродных элементов, расположенных по окружностям.
Использование: для ультразвуковых физиотерапевтических процедур, применяемых в медицине и косметологии. Сущность заключается в том, что ультразвуковой преобразователь для физиотерапевтических аппаратов содержит защитный слой пьезоэлемента, выполненный из износоустойчивой силикатной эмали.

Использование: для акустико-эмиссионной (АЭ) диагностики состояния объектов контроля. Сущность: заключается в том, что селективный акустико-эмиссионный пьезопреобразователь упругих волн с круговой диаграммой направленности на плоской или развертке криволинейной листовой конструкции включает круговой пьезоэлемент, поверхности которого образованы вращением плоской фигуры в виде выпуклого многоугольника с числом сторон не менее четырех вокруг оси, перпендикулярной основанию пьезоэлемента, с нанесенным на нем рабочим электродом, при этом в его состав введен акустический блок, включающий упомянутый круговой пьезоэлемент, выполненный в виде конечного цилиндра или усеченного конуса, с углом наклона боковой поверхности к основанию не более 90°, и призму-протектор, вставленную в круговой пьезоэлемент и сопрягающуюся по форме с его внутренней рабочей поверхностью, материал которой имеет скорость продольных волн меньше скорости распространения селектируемой моды нормальных волн, причем рабочий электрод нанесен на внутреннюю поверхность кругового пьезоэлемента.

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

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к пьезокерамическим преобразователям, и может быть использовано как при разработке новых акустических систем, так и в существующем оборудовании на базе пьезокерамических преобразователей.

Использование: для неразрушающего контроля изделий. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой раздельно-совмещенный широкозахватный преобразователь содержит призмы-волноводы, установленную на первой призме излучающую пьезопластину и размещенные на второй призме в ряд в одной плоскости приемные пьезопластины, состыкованные друг с другом, а между излучающей и приемными пьезопластинами размещен электроакустический экран, при этом преобразователь оснащен вторым электроакустическим экраном и третьей призмой - волноводом, на которой размещены дополнительные приемные пьезопластины, причем третья призма расположена с противоположной стороны относительно первой призмы симметрично второй призме, приемные пьезопластины призм смещены относительно друг друга на половину их длины так, что стыки пьезопластин второй призмы располагаются напротив центра пластин, установленных на третьей призме, а второй электроакустический экран размещен между первой и третьей призмами. Технический результат: повышение производительности и качества контроля за счет уменьшения неравномерности амплитудной характеристики по ширине преобразователя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию волноводного направленного преобразователя, способного работать в полосе частот для гидроакустических средств различного назначения, в том числе и буксируемых, в качестве антенн систем: гидролокации, связи, навигации, профилирования, акустической томографии, подсветки подводной обстановки и т.д. Сущность изобретения: гидроакустический волноводный направленный преобразователь содержит изолированный от внешней среды газозаполненный прочный корпус, в котором размещен активный элемент в виде армированного стержневого пьезопакета, жестко состыкованный с упругим цилиндрическим волноводом через крепежно-герметизирующую накладку в форме стакана, которая обеспечивает гибкое соединение с прочным корпусом. Волновод преобразователя выполнен из композитного материала, например, из эбонита и латуни, и представляет собой периодическую мелкослоистую структуру, состоящую из одинаковых, чередующихся звеньев равной толщины; при этом ориентация звеньев волновода, выполненных из композитного материала, перпендикулярна оси волновода, а волновод армирован тонкими упругими стержнями, изготовленными, например, из титана. Технический результат: улучшение технических характеристик гидроакустического преобразователя, а именно достижение более узких диаграмм направленности, высокой чувствительности, мощности излучения, повышение прочности конструкции преобразователя и ее надежности наряду с меньшими массогабаритными характеристиками волновода. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Использование: для ультразвукового применения в текучей среде. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой преобразователь для применения в текучей среде включает в себя по меньшей мере один сердечник, который содержит по меньшей мере один электроакустический преобразующий элемент, и по меньшей мере один корпус, имеющий по меньшей мере две корпусные части, из которых по меньшей мере одна первая корпусная часть по меньшей мере частично окружает сердечник с обеспечением возможности доступа к тыльной, обращенной от текучей среды стороне электроакустического преобразующего элемента, а по меньшей мере одна вторая корпусная часть соединена с первой корпусной частью и в основном закрывает ультразвуковой преобразователь с его обращенной от текучей среды стороны, причем ультразвуковой преобразователь также содержит по меньшей мере одну контактную скобу для электрического контактирования электроакустического преобразующего элемента, в частности по существу формоустойчивую контактную скобу, причем контактная скоба проходит через вторую корпусную часть во внутреннее пространство ультразвукового преобразователя и в нем электрически соединена с электроакустическим преобразующим элементом, и контактная скоба соединена с первой корпусной частью, в частности с геометрическим и/или силовым замыканием. Технический результат: обеспечение возможности упрощения монтажа и сборки ультразвукового преобразователя. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Использование: для контролируемого нагревания тканей тела с помощью высокоинтенсивного фокусированного ультразвука. Сущность изобретения заключается в том, что конвексный преобразователь высокоинтенсивного фокусированного ультразвука (HIFU) содержит конвексную пьезоэлектрическую антенную решетку, имеющую противоположные выпуклую и вогнутую заднюю поверхности, причем передняя поверхность содержит акустическую передающую поверхность, и множество электродов, расположенных на выпуклой задней поверхности, для применения электрических передающих сигналов к антенной решетке, и печатную плату, расположенную на отдалении от и напротив задней поверхности конвексной пьезоэлектрической антенной решетки, которая связывает электрические сигналы с электродами антенной решетки, причем пространство между печатной платой и конвексной пьезоэлектрической антенной решеткой содержит акустический воздушный задний проход пьезоэлектрической антенной решетки для воздушного охлаждения конвексной пьезоэлектрической антенной решетки и печатной платы. Технический результат: улучшение охлаждения конструкционных элементов конвексного преобразователя высокоинтенсивного фокусированного ультразвука. 14 з.п. ф-лы, 16 ил.

Использование: для контролируемого нагревания тканей тела с помощью высокоинтенсивного фокусированного ультразвука. Сущность изобретения заключается в том, что изогнутый высокоинтенсивный фокусированный ультразвуковой (HIFU) преобразователь содержит множество изогнутых композитных керамических пьезоэлектрических плиток, имеющих противоположные выпуклые и вогнутые поверхности, причем каждая плитка имеет электроды на поверхностях, электрически связанные с композитным керамическим пьезоэлектрическим материалом, и множество областей акустической передачи, находящихся на каждой плитке и возбуждаемых посредством электродов на выпуклой поверхности, причем области передачи и электроды акустически отделены от окружающих областей надрезами в композитном керамическом пьезоэлектрическом материале, при этом множество плиток подогнаны друг к другу, чтобы образовывать, по существу, непрерывную изогнутую композитную пьезоэлектрическую поверхность, которая передает HIFU акустическую энергию. Технический результат: обеспечение возможности создания изогнутого высокоинтенсивного фокусированного ультразвукового (HIFU) преобразователя из малого числа композитных керамических пьезоэлектрических плиток. 14 з.п. ф-лы, 16 ил.

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.

Изобретение относится к вибрационной технике. Вибратор содержит корпус и пьезоэлемент. Пьезоэлемент выполнен в виде пакета пьезокерамических колец, к внутренней поверхности которых прикреплены шпоночные элементы, входящие в соответствующие пазы в цилиндрической оправке. Ось симметрии оправки перпендикулярна основанию, а диск, соединенный с оправкой, контактирует своей нижней поверхностью с верхним пьезокерамическим кольцом пьезоэлемента. На верхней поверхности диска установлены измерительные пьезоэлементы. Внешний диаметр диска равен внешнему диаметру пакета пьезокерамических колец, а основание представляет собой прямоугольной формы пластину. Токонепроводящий корпус выполнен в виде цилиндрической обечайки, при этом нижний торец обечайки опирается на кольцо, жестко прикрепленное к верхней плоскости основания, соосно оправке, а верхний ее торец закрыт крышкой с центральным отверстием под наконечник. Устройство также снабжено тензодатчиками, а в цилиндрической оправке выполнена внутренняя полость, заполненная элементами, создающими дополнительное стохастическое движение, При этом в нижней части цилиндрической оправки закреплена при помощи крепежных элементов крышка. Технический результат - расширение частотного диапазона виброускорений. 2 ил.

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим преобразователям, снабженным мембраной. Преобразователь содержит генератор, цилиндрический корпус, соосно расположенные в нем круглый биморфный пьезоэлемент с выпуклой мембраной над ним и общий плоский кольцевой держатель, снабженный у основания выпуклой мембраны отштампованным на нем кольцевым V-образным диффузором с углом раскрытия от 15 до 60 град в радиальном сечении. Дно диффузора жестко соединено с пьезоэлементом, общий плоский кольцевой держатель жестко закреплен на внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Корпус выполнен из упругого материала с волновым сопротивлением больше волнового сопротивления материала общего плоского кольцевого держателя. Технический результат - повышение уровня акустического давления. 2 ил.

Изобретение относится к блоку из ультразвукового преобразователя и держателя преобразователя. Блок из ультразвукового преобразователя (1) и держателя (2) преобразователя, причем ультразвуковой преобразователь (1) имеет корпус (3) преобразователя и преобразовательный элемент (4), причем корпус (3) преобразователя имеет ультразвуковое окно (5), корпусную трубку (6) и корпусный фланец (7), причем преобразовательный элемент (4) предусмотрен либо вблизи от ультразвукового окна (5) корпуса преобразователя или на удалении от ультразвукового окна корпуса преобразователя, причем держатель (2) преобразователя имеет фланец (8) держателя, и причем корпусный фланец (7) корпуса (3) преобразователя с помощью контрфланца (9) с промежуточным включением уплотнительного кольца (10) прижат к фланцу (8) держателя держателя (2) преобразователя. Блок из ультразвукового преобразователя (1) и держателя (2) преобразователя улучшен в отношении предотвращения передачи корпусных волн, а именно за счет того, что между корпусным фланцем (7) корпуса (3) преобразователя и фланцем (8) держателя держателя (2) преобразователя предусмотрено развязывающее кольцо (13). 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Использование: в качестве существенной части ультразвукового расходомера. Сущность изобретения заключается в том, что корпус (1) преобразователя имеет ультразвуковое окно (3), корпусную трубку и корпусной фланец (5), и преобразовательный элемент (2) предусмотрен либо на обращенном к среде, интенсивность расхода которой необходимо измерять, конце корпусной трубки, либо на обращенном от среды, интенсивность расхода которой необходимо измерять, конце корпусной трубки, и причем ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью крепления на держателе (6) преобразователя с помощью корпусного фланца (5) и для этого корпусной фланец (5) корпуса (1) преобразователя выполнен с возможностью зажима между фланцем (7) держателя держателя (6) преобразователя и контрфланцем (8) с помощью стяжных болтов (9) и контргаек (10), при этом корпусной фланец (5) корпуса (1) преобразователя на его обращенной к контрфланцу (8) стороне имеет внешний контур (12), который допускает затяжку контрфланца (8) по отношению к корпусному фланцу (5) корпуса (1) преобразователя без перекоса корпусного фланца (5). Технический результат: обеспечение возможности затяжки контрфланца без перекоса корпусного фланца. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности гидроакустических антенн, герметизированных полимерами. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности антенны в режимах излучения и приема. Антенна содержит стержневые электроакустические преобразователи 1, основание 2, на котором укреплены преобразователи 1, отражающие боковые акустические экраны 3. Зазоры между преобразователями 1 и между преобразователями 1 и боковыми акустическими экранами 3 заполнены эластичным полимером 4, а для герметизации антенны использован жесткий полимер 5. 2 ил.

Наверх