Гидроакустический преобразователь

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструкциям малогабаритных стержневых армированных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы в составе многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем, например, для морского подводного оружия. Гидроакустический преобразователь содержит стержневой блок пьезокерамических элементов, тыльную и переднюю накладки, силовой массивный крепежный опорный элемент, соединенный с этими накладками, причем передняя накладка соединена посредством стержневого элемента, проходящего с зазором внутри цилиндрической части тыльной накладки, а тыльная накладка соединена посредством упругого пружинного конического кольцевого элемента, в зазоры над и под упругим пружинным коническим кольцевым элементом введены вязкоупругие элементы из акустически мягкого материала. Техническим результатом является обеспечение эффективного излучения, снижение воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок элементов и снижение чувствительности к корпусным вибрациям в режиме приема. 1 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструкциям малогабаритных стержневых армированных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы в составе многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем, например, для морского подводного оружия.

Пьезокерамические преобразователи стержневого типа получили широкое распространение как наиболее способные обеспечить высокую эффективность в режимах излучения и приема в газонаполненном варианте конструкций антенн при воздействии высокого гидростатического давления.

Известны конструкции гидроакустических стержневых преобразователей Ланжевеновского типа (tonpilz) с двумя накладками, которые имеют один достаточно широкополосный резонанс за счет использования коэффициента механической трансформации, определяемого отношением площади передней, контактирующей с водной нагрузкой, накладки к площади пьезокерамического элемента, а также выбора материала передней накладки из более легкого металла (например, алюминий).

В зависимости от способа закрепления колебательной системы преобразователя в газонаполненной конструкции антенного устройства и соответственно передачи воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок, различают три основных варианта конструкции стержневых преобразователей: силовую, разгруженную и с частичной разгрузкой (см. Стырикович И.И. Преобразователь стержневой виброустойчивый. // VII международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 8-10 июня 2004, Санкт-Петербург, Труды конференции, с. 186-188.).

Известна конструкция преобразователя многоэлементной антенны (см. патент США №3284761), в которой передняя накладка связана с силовой платой посредством достаточно жесткого с большим поперечным сечением стержня, и для создания предварительного статического сжатия в пьезокерамическом блоке используется упругий элемент в виде тарельчатой пружины, прижатой армирующей резьбовой гайкой. Для предотвращения передачи механических колебаний на корпус антенны в режиме излучения, а также для развязки от корпусной вибрации в режиме приема, колебательную систему преобразователя крепят к силовой плате посредством дополнительных звукоизолирующих элементов (прокладок). Такой способ крепления имеет ограничения по гидростатическому давлению - не более 3 МПа, и кроме того, в области ниже основного резонанса, где обычно выставляются достаточно жесткие требования к неравномерности частотной характеристики, будет иметь место дополнительный резонанс, что также нежелательно.

Для сочетания в большой степени взаимоисключающих требований: высоких уровней излучения и кпд и одновременного обеспечения пониженной чувствительности к вибрациям, при воздействии высокого гидростатического давления до 10 МПа необходима предельная оптимизация технических решений. При построении сложных колебательных систем стержневых армированных преобразователей одновременное достижение поставленных целей возможно путем использования металлических элементов развязки в конструкциях либо с узловым креплением, либо с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов. Для конструкций преобразователей высокочастотного диапазона, а также преобразователей с малым коэффициентом механической трансформации площадей передней накладки и пьезокерамического блока элементов, в связи с ограничениями по габаритам, совмещение элементов армирования, крепления и развязки в одном узле, по схеме с узловым креплением, с использованием опорного фланца, расположенного в узловом сечении армирующей шпильки, невозможно. В этом случае может быть реализован вариант с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов, который является прототипом предлагаемого изобретения (см. Стырикович И.И. Преобразователь стержневой виброустойчивый. // VII международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 8-10 июня 2004, Санкт-Петербург, Труды конференции, с.186-188.).

Конструктивный узел элементов силового армирования, акустической развязки и крепления в этом варианте выполняется по схеме одновременного соединения (посадки) обеих накладок с массивным опорным элементом путем введения отдельного упругого элемента типа тарельчатой пружины, через который тыльная накладка соединяется с массивным опорным элементом. Передняя накладка соединена с последним напрямую посредством стержневого элемента армирования, проходящего с зазором внутри цилиндрической части тыльной накладки. При этом воздействие корпусной вибрации может быть минимизировано путем определенного выбора отношения механических гибкостей упругих элементов узла армирования, контактирующих с обеими накладками, к соответствующему отношению масс этих накладок. Так, при выборе элементов конструкции преобразователя из условия пропорциональности отношения механических гибкостей упругих элементов узла армирования отношению масс накладок одновременно с уменьшением передачи колебаний на корпус антенны в режиме излучения снижается и чувствительность к вибрации корпуса в режиме приема. Этот вариант построения колебательной системы преобразователя с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов по совокупности признаков, и может служить прототипом.

При колебаниях такого преобразователя на низких частотах (вне резонанса), возникающих вследствие корпусной вибрации, заряды, образующиеся на симметричных относительно узлового сечения половинах стержневого блока активных пьезокерамических элементов, должны быть равны по значению и противоположны по знаку.

Однако в реальных условиях, в случае односторонне нагруженной конструкции преобразователя, работающего в режиме резонансных колебаний, имеет место существенная асимметрия акустической нагрузки. Передняя накладка, прилегающая к водной среде, имеет активную составляющую сопротивления излучения, в то время когда тыльная накладка имеет только реактивную составляющую, что вносит существенную разницу в амплитудные и фазовые соотношения колебаний нагруженной и ненагруженной частей преобразователя. Для нейтрализации этой разницы необходима компенсация по активной составляющей сопротивления излучения.

Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритной конструкции гидроакустического стержневого преобразователя, обеспечивающеей работу в режиме приемоизлучения и реализующей закрепление колебательной системы преобразователя, при котором:

а) внешнее гидростатическое давление лишь частично передается на пьезокерамический стержневой блок;

б) вибрационные колебания в режиме приема, передающиеся одновременно на оба торца пьезоблока, минимизированы.

Технический результат заключаются в обеспечении эффективного излучения, в снижении воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок элементов и снижении чувствительности к корпусным вибрациям в режиме приема.

Для достижения этого технического результата в известную по прототипу конструкцию стержневого преобразователя введены новые признаки, а именно в зазоры над и под пружинным коническим кольцевым элементом введены вязкоупругие элементы из акустически мягкого материала.

Сущность изобретения поясняется на чертеже конструкцией гидроакустического преобразователя.

Передняя накладка (1) выполнена из алюминиевого сплава для улучшения согласования с водной нагрузкой и увеличения кпд, тыльная накладка (3) изготавливается из стали. Пьезокерамический блок (2) состоит из набора активных и изолирующих элементов.

Функцию обеспечения механической (акустической) развязки от силового корпуса (7) выполняют пружинный конический кольцевой элемент (6), через который тыльная накладка (3) связана с массивным опорным элементом (4), имеющим проточку по внутреннему диаметру с выступом, центрирующим пружинный конический кольцевой элемент, обращенный вершиной конуса к массивному опорному элементу, и стержневой элемент (5), по резьбовой части которого осуществляется силовое армирование путем закручивания массивного опорного элемента.

Вязкоупругие элементы (8) и (9) склеены с поверхностями элементов (3) и (4), а также с поверхностями пружинного конического кольцевого элемента (6).

Функционирование устройства осуществляется следующим образом.

При работе пружинного конического кольцевого элемента (6), на его наружной поверхности (кромке) возникают напряжения сжатия, а на внутренней - растяжения, и слои элементов, прилегающих к поверхностям пружинного конического кольцевого элемента (6), испытывают деформации сжатия (8) и растяжения (9) соответственно, а т.к. слои элементов, прилегающие к поверхностями элементов (3) и (4), неподвижны, то в элементах (8) и (9) имеют место сдвиговые и объемные деформации, при которых потери в вязкоупругих материалах максимальны.

При затяжке (в процессе силового армирования) с помощью элемента (4) по резьбовой части стержневого элемента шпильки (5), в последнем создаются растягивающие напряжения, и сжимающие напряжения - в упругом пружинном кольцевом элементе (6), присоединенном к тыльной накладке (3), а также в пьезокерамическом блоке элементов (2).

При воздействии гидростатического давления упругий пружинный элемент (6), через который тыльная накладка (3) связана с опорным элементом (4), и стержневой элемент (5) механически включены параллельно, и на пьезокерамический блок (2) передается не полное усилие, а только часть его, и при соответствующем выборе механических гибкостей стержневого элемента и упругого пружинного элемента это усилие может составлять половину (при их равенстве) и менее от внешнего.

В динамическом режиме колебательная система работает таким образом, что излучение или прием полезных сигналов осуществляется передней накладкой со стороны водной среды, а передача колебаний в режиме излучения на силовой корпус, равно как и передача вибраций корпуса на пьезокерамический блок в режиме приема, минимизированы за счет пропорциональности отношения механических гибкостей вязкоупругих элементов ,контактирующих с обеими накладками к отношению их масс.

При этом вязкоупругие элементы (8) и (9), введенные в зазор между плоскими поверхностями тыльной накладки (3) и массивного опорного элемента, вносят дополнительную активную составляющую сопротивления, компенсирующего разницу в амплитудных и фазовых соотношениях скоростей колебаний нагруженной и ненагруженной накладок преобразователя, при воздействии вибраций корпуса в режиме приема. Поскольку дополнительное активное сопротивление вводится в цепь тыльной накладки, которая обычно выполняется по массе большей, чем передняя, то заметного ухудшения основных параметров преобразователя (чувствительности по давлению в приеме и чувствительности в излучении) не происходит, а виброустойчивость увеличивается в 3-5 раз.

В описанной выше конструкции преобразователя реализованы все отличительные признаки, благодаря которым и достигается заявленный положительный эффект, а именно обеспечение эффективного излучения в резонансной области частот, при снижении воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок элементов и снижении чувствительности к корпусным вибрациям (увеличении виброустойчивости) в режиме приема.

Таким образом, введение новых признаков позволяет получить заявленный положительный эффект и использовать такие конструкции при воздействии высокого гидростатического давления до 10 МПа в воздухо-газозаполненном варианте антенн.

Гидроакустический преобразователь, содержащий стержневой блок пьезокерамических элементов, тыльную и переднюю накладки, силовой массивный крепежный опорный элемент, соединенный с этими накладками, причем передняя накладка соединена посредством стержневого элемента, проходящего с зазором внутри цилиндрической части тыльной накладки, а тыльная накладка соединена посредством упругого пружинного конического кольцевого элемента, отличающийся тем, что в зазоры над и под упругим пружинным коническим кольцевым элементом введены вязкоупругие элементы из акустически мягкого материала.



 

Похожие патенты:

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).

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.

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.

Изобретение относится к вибрационной технике. Вибратор содержит корпус и пьезоэлемент.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке направленных эффективных волноводных преобразователей для гидроакустических средств различного назначения.

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.

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.

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.

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.

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.

Использование: для измерения расхода высокотемпературной текучей среды. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой датчик содержит пьезоэлектрический вибратор, выполненный из ниобата лития и имеющий в качестве поверхности выхода поверхность, полученную путем поворота поверхности, перпендикулярной оси Υ кристалла ниобата лития, на угол 36°±2° вокруг оси X; демпфер, выполненный из титана; и соединяющий слой для соединения одной поверхности демпфера с поверхностью выхода; при этом соединяющий слой выполнен из серебра и стеклянной фритты, причем стеклянная фритта имеет коэффициент линейного расширения в диапазоне от 5×10-6 K-1 до 15×10-6 K-1. Технический результат: обеспечение возможности создания ультразвукового датчика, который содержит пьезоэлектрический вибратор, генерирующий ультразвуковую волну высокой мощности, который может использоваться в области высоких температур и предотвращает образование трещин в кристалле. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к метрологии. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь содержит звукопровод, пустотелый цилиндрический корпус, пьезоэлемент с электродами, изолятор, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода, а верхней поверхностью - на нижней поверхности пьезоэлемента. Устройство содержит муфту, расположенную между пьезоэлементом и пружиной. Крышка контактирует с пружиной и содержит отверстие для вывода проводников. Муфта также имеет отверстие, через которое проходят проводники от электродов пьезоэлемента. При этом площадь контакта муфты с верхней поверхностью пьезоэлемента составляет от 5% до 50% верхней поверхности площади пьезоэлемента, удельное акустическое сопротивление материала муфты составляет 5%-17% от удельного акустического сопротивления материала пьезоэлемента, а пьезоэлемент, изолятор и звукопровод соединены акустически прозрачными слоями, пружина установлена с возможностью передачи прижимного усилия через муфту на пьезоэлемент, изолятор и звукопровод. Между пружиной и муфтой установлена металлическая втулка, а пространство между компонентами заполнено компаундом, имеющим низкое удельное акустическое сопротивление. Технический результат - увеличение коэффициента передачи акустической мощности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для исследования крупноструктурных и неоднородных материалов посредством ультразвука. Сущность изобретения заключается в том, что преобразователь содержит корпус, в котором расположены первый, второй, третий и четвертый пьезоэлементы. Второй пьезоэлемент установлен в корпусе симметрично первому пьезоэлементу относительно акустической оси преобразователя, четвертый пьезоэлемент расположен в корпусе симметрично третьему пьезоэлементу относительно акустической оси преобразователя, расстояние от первого пьезоэлемента до второго пьезоэлемента выбирается равным расстоянию от третьего пьезоэлемента до четвертого пьезоэлемента, а расстояния от первого пьезоэлемента до третьего пьезоэлемента выбирается равным расстоянию от первого пьезоэлемента до четвертого пьезоэлемента. Корпус снабжен протектором для контактирования с поверхностью контролируемого изделия в точке. Электрический вывод первого пьезоэлемента и электрический вывод второго пьезоэлемента соединены между собой противофазно и образуют первый электрический вывод ультразвукового низкочастотного преобразователя, электрический вывод третьего пьезоэлемента и электрический вывод четвертого пьезоэлемента соединены между собой противофазно и образуют второй электрический вывод ультразвукового низкочастотного преобразователя. После установки ультразвукового низкочастотного преобразователя острым рабочим торцом протектора на исследуемую поверхность изделия к электрическому выводу подводят возбуждающее напряжение U1(t) и к электрическому выводу подводят возбуждающее напряжение U2(t), снимают с этих электрических выводов принятые сигналы для дальнейшей амплитудно-фазовой обработки в приемном тракте. Технический результат: расширение функциональных возможностей и области применения преобразователя. 5 ил.
Наверх