Гидроакустический широкополосный преобразователь

Авторы патента:

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

Владельцы патента RU 2583131:

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

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к конструкциям стержневых широкополосных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы в составе антенн гидроакустических приемоизлучающих систем. Сущность: гидроакустический преобразователь содержит стержневой пьезокерамический блок элементов, тыльную и изгибно-колеблющуюся переднюю накладки, составной элемент армирования и стержневой элемент крепления, совмещенный с опорным фланцем, размещенным в узловой плоскости составного элемента армирования, и соединяющийся с силовым корпусом антенны. Передняя накладка выполнена в виде поршня с жесткой центральной частью в форме диска и упругой периферийной пластины. Армирующий элемент выполнен составным и разделен расположенным в его узловой плоскости опорным фланцем, жестко соединенным со стержневым элементом крепления, который размещается с зазором внутри цилиндрической части элемента армирования, выполненной в форме стакана и присоединенной к тыльной накладке. Дно стакана жестко соединено через опорный фланец со стержневой частью элемента армирования, присоединенной к передней накладке, а в зазоре между стержневым элементом крепления и тонкостенным цилиндром находится вязкоупругий элемент из акустически мягкого материала. Технический результат: обеспечение эффективной работы пьезокерамических преобразователей в широкой полосе частот до одной октавы с неравномерностью АЧХ не более 3 дБ при воздействии высокого гидроакустического давления до 15 МПа в воздухо-газозаполненном варианте конструкции. 1 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию стержневых широкополосных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы в составе многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем автономных необитаемых подводных аппаратов различного назначения.

Именно пьезокерамические преобразователи стержневого типа получили широкое распространение как наиболее способные обеспечить высокую эффективность в достаточно широкой полосе частот в режимах излучения и приема, а также устойчивость к внешним воздействующим факторам.

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÷15 МПа, необходима предельная оптимизация технических решений, включая минимизацию массогабаритных характеристик преобразователя, что особенно важно для многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем морского подводного оружия.

Для расширения полосы пропускания в преобразователь обычно вводятся дополнительные согласующие элементы в виде четвертьволнового слоя (или системы слоев) либо в виде гибкой вставки и дополнительной массы (см. патент США №4633119). Такие колебательные системы с двумя степенями свободы имеют, как правило, двугорбую частотную характеристику с рабочей полосой порядка одной октавы. Однако у таких конструкций преобразователей значительно повышаются масса и продольный габарит.

Известны конструкции гидроакустических стержневых преобразователей Ланжевеновского типа, которые обеспечивают один достаточно широкополосный резонанс за счет использования высоких значений коэффициента механической трансформации, определяемого отношением площади передней накладки к площади пьезокерамического элемента. При этом в силовом газонаполненном варианте конструкций антенн, гидростатическое давление передается на пьезокерамические элементы, в которых возникают сжимающие механические напряжения, ограничивающие глубоководность преобразователя, а в развитой по площади передней накладке могут возникнуть изгибные колебания, оказывающие существенное влияние на частотную характеристику преобразователя. В таких преобразователях, для реализации широкополосного режима излучения с использованием изгиба передней накладки за счет выбора ее геометрии и материала, полоса частотной характеристики порядка одной октавы может быть получена за счет связанных колебаний аналогично двухмодовой механической системе на продольно-изгибных колебаниях (см. патент США №3309654). Обычно такие преобразователи имеют характерный глубокий провал между резонансами и не реализуют требуемой неравномерности частотной характеристики, не превышающей 3 дБ.

Известен силовой вариант конструкции преобразователя, рассчитанный на воздействие гидростатического давления (см. изобретение Франции №2544576). Он состоит из пьезокерамического стержневого элемента, развитой передней и тыльной накладок, цилиндрического армирующего элемента и опорного стержня, упирающегося в резьбу силового корпуса и жестко связанного с передней накладкой резьбовым соединением. Очевидно, что жесткое крепление за переднюю накладку снижает амплитуду ее колебаний на продольном резонансе и ограничивает эффективность излучения в рабочей полосе частот. В режиме приема вибрации корпуса через жесткий опорный стержень передаются на переднюю накладку и возбуждают пьезокерамический стержень с переднего торца, снижая тем самым виброустойчивость преобразователя.

Такие односторонне нагруженные конструкции преобразователей имеют существенную асимметрию акустической нагрузки: т.к. передняя накладка, прилегающая к водной среде, имеет активную составляющую сопротивления излучения, а тыльная накладка имеет только реактивную составляющую, что сказывается на величине чувствительности к вибрации в режиме приема.

Известны конструкции односторонне нагруженных преобразователей, в которых реализован вариант с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов (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). В этом варианте с целью снижения чувствительности к вибрации преобразователя, для компенсации разницы в амплитудных и фазовых соотношениях скоростей колебаний его нагруженной и ненагруженной накладок, вносится дополнительное демпфирующее сопротивление со стороны тыльной накладки (заявка РФ №2013159118 «Гидроакустический преобразователь» от 30.12.2013).

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является гидроакустический преобразователь, в котором для снижения влияния воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок, используется схема с частичной разгрузкой внешнего давления за счет крепления в узловой плоскости армирующей шпильки, с использованием фланца, жестко контактирующего с опорной металлической деталью цилиндрической формы, соединяющейся через прорези в задней накладке с силовым корпусом (платой) антенного устройства (см. Добисова Л.В., Масленникова Л.Н., Стырикович И.И. «Гидроакустический преобразователь» - SU 1840705 A1, бюл. №5, 2009). Этот способ развязки по сути дела реализует вариант с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов, который уменьшает влияние вибраций корпуса на работу преобразователя, а также снижает величины сжимающих механических напряжений, возникающих в пьезокерамических элементах преобразователя в силовом газонаполненном варианте антенного устройства при воздействии высокого гидростатического давления до 15 МПа, и по совокупности признаков может служить прототипом.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции гидроакустического стержневого преобразователя, обеспечивающий в режиме излучения работу в полосе частот не менее октавы за счет использования колебаний изгиба передней накладки и одновременно реализующей закрепление колебательной системы преобразователя в узловом сечении армирующего элемента (стяжки), при котором:

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

б) вибрационные колебания в режиме приема передаются одновременно на оба торца пьезокерамического стержневого блока в противофазе.

Технический результат от использования изобретения заключаются в обеспечении эффективного излучения в рабочей полосе частот порядка одной октавы с минимальной неравномерностью АЧХ и 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 часть армирующего стержня, обращенная к тыльной накладке, выполнена в виде тонкостенного цилиндра, а в зазоре между стержневым элементом крепления и тонкостенным цилиндром сформирован вязкоупругий концентрический элемент потерь цилиндрической формы из акустически мягкого материала.

Снижение чувствительности к вибрации и выравнивание провала между резонансами, обусловленными продольно-изгибными колебаниями в механической системе преобразователя с двумя степенями свободы, обеспечивающего неравномерность АЧХ не более 3 дБ, происходит за счет демпфирования колебаний при введении внутренних потерь в цилиндрическую часть армирующего элемента со стороны тыльной накладки.

Сущность изобретения поясняется на чертеже «Конструкция гидроакустического преобразователя».

Передняя накладка (1) из алюминиевого сплава для реализации оптимального согласования с водной нагрузкой выполнена в виде усеченного конуса с цилиндрической частью, тыльная накладка (3) выполнена из стали. Пьезокерамический блок (2) состоит из набора активных и изолирующих элементов. Элемент армирования выполнен из двух частей, разделенных в узловой плоскости опорным фланцем, соединенным с крепежным стержнем (4). Часть армирующего элемента (5), обращенная к передней накладке, выполнена в виде сплошного стержня, а часть армирующего элемента (6), обращенная к тыльной накладке, выполнена в виде тонкостенного цилиндра, через который крепежный стержень проходит наружу преобразователя и соединяется с силовым корпусом (9). Силовое армирование осуществляется путем закручивания гайки (8) по резьбовой части тонкостенного цилиндра. Вязкоупругий концентрический элемент (7) цилиндрической формы из акустически мягкого материала расположен в зазоре между стержневым элементом крепления (4) и тонкостенным цилиндром (6).

Функционирование устройства осуществляется следующим образом.

При воздействии гидростатического давления части элемента армирования (5) и (6) механически включены параллельно, и на пьезокерамический блок (2) передается не полное усилие, а только усилие, соответствующее соотношению механических гибкостей элементов(5), (6), и при их равенстве может составлять половину 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 частей элемента армирования, контактирующих с обеими накладками, к отношению их масс.

При этом вязкоупругий элемент (7), введенный в зазор между поверхностями стержневого элементом крепления (4) и тонкостенного цилиндра (6), испытывает сдвиговые деформации, которые вследствие потерь в материале вносят дополнительную активную составляющую сопротивления, компенсирующую разницу в амплитудных и фазовых соотношениях скоростей колебаний нагруженной и ненагруженной накладок преобразователя при воздействии вибраций корпуса в режиме приема, а также выравнивающую провал между резонансами колебательной системы преобразователя с двумя степенями свободы.

В описанной выше конструкции преобразователя реализованы все отличительные признаки, благодаря которым и достигается заявленный положительный эффект, а именно обеспечение эффективного излучения в полосе частот порядка октавы, 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 15 МПа в воздухо-газозаполненном варианте антенн.

Гидроакустический преобразователь, содержащий стержневой блок пьезокерамических элементов, тыльную и изгибно-колеблющуюся переднюю накладки, элемент армирования и стержневой элемент крепления, соединенный с опорным фланцем, размещенным в узловой плоскости элемента армирования, причем элемент армирования выполнен составным, отличающийся тем, что часть армирующего элемента, обращенная к тыльной накладке, выполнена в виде тонкостенного цилиндра, через который крепежный стержень проходит наружу преобразователя и соединяется с силовым корпусом, а в зазоре между стержневым элементом крепления и тонкостенным цилиндром сформирован вязкоупругий элемент из акустически мягкого материала.

Изобретение относится к области метрологии, а именно к методам обнаружения гидроакустических шумоизлучений. Способ обнаружения гидроакустических воздействий заключается в расположении гидроакустического приемного модуля гидрофона в натурном водоеме на якоре с поплавком, измерении приемным модулем параметров шумящего объекта при последующей обработке таких параметров на компьютере.

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.

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.

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.

Векторное приемное устройство // 2533323

Изобретение относится к области гидроакустики. Векторное приемное устройство содержит звукопрозрачную раму и векторный приемник, связанные между собой посредством подвеса.

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.

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.

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.

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.

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 обнаружения гидродинамических воздействий // 2587685

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам регистрации гидродинамических параметров. Способ предполагает регистрацию параметров гидродинамического воздействия с помощью расположенного в водоеме гидродинамического датчика и последующую обработку зарегистрированного сигнала. Приемный модуль выполнен с возможностью изменения углового положения под воздействием водной среды. Измеряют величину угловой скорости приемного модуля, полученную информацию обрабатывают и на ее основе определяют величины, характеризующие измеряемое гидродинамическое воздействие по заданному математическому выражению, учитывающему время измерений, радиус поворота датчика, сигнал волоконно-оптического гироскопа при измерении угловой скорости датчика. Находят линейное смещение, характеризующее гидродинамическое воздействие. В качестве датчика угловой скорости используют волоконно-оптический гироскоп, имеющий длину волокна до 25 км. В состав гироскопа входит лазер, оптическое волокно на катушке и фотоприемник. При этом лазер выполнен с возможностью введения в волокно двух встречных лучей, а угловая скорость фиксируется через разность фаз встречных лучей на выходе из катушки. Устройство также содержит гибкую подвеску, якорь и поплавок. Технический результат - повышение чувствительности датчика. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны // 2618961

Изобретение относится к гидроакустическим антеннам режима шумопеленгования (ШП) и может быть использовано в дискретных линейных или двумерных плоских и криволинейных антенных решетках, в том числе и фазированных. Предложен многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны, содержащий круглые пластинчатые преобразователи, электрически объединенные в каналы и размещенные во внутреннем объеме полимерного шланга, имеющего прямоугольное поперечное сечение, вдоль его оси симметрично относительно нее так, что их плоские поверхности параллельны большим сторонам полимерного шланга, при этом полимерный шланг заполнен компаундом и герметизирован концевыми заглушками; круглые пластинчатые преобразователи по линии симметрии поперечного сечения их цилиндрического корпуса скреплены со стеклотекстолитовой подложкой посредством кольцевых двутавровых резиновых развязок, вклеенных в соответствующие отверстия в стеклотекстолитовой подложке, скрепленной с двумя концевыми заглушками, при этом по ширине полимерного шланга симметрично его оси размещены два круглых пластинчатых преобразователя, причем каждые четыре соседних пластинчатых преобразователя, из которых два являются соседними по длине шланга, а два - по его ширине электрически объединены в один канал так, что размеры канала по длине и ширине шланга примерно равны. При этом улучшаются направленные характеристики многоэлементного линейного приемного модуля, повышается его помехоустойчивость; обеспечиваются широкие углы обзора пространства без искажения ХН в расширенном диапазоне частот. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Многоэлементный антенный линейный дискретный цифровой модуль // 2620960

Изобретение относится к элементам гидроакустических антенн шумопеленгования и может быть использовано в дискретных линейных или двумерных плоских антенных решетках, в том числе и фазированных. Многоэлементный линейный антенный дискретный цифровой модуль, содержащий приемники давления, выходы которых соединены с входами соответствующих устройств обработки сигналов, расположенные с определенным интервалом вдоль модуля, причем выходы устройств обработки сигналов соединены с входами устройства передачи информации, а его выход соединен с линией связи, при этом многоэлементный линейный антенный дискретный цифровой модуль выполнен герметичным. В качестве приемников давления используют емкостные датчики, установленные на печатной плате, на которой в непосредственной близости расположены устройства обработки сигнала, выполненные в виде одной микросхемы, выполняющей дополнительно функцию прямого измерения изменения емкости, при этом печатные платы закреплены к несущему основанию коробчатого типа, при этом по проводникам печатной платы осуществляют электропитание устройств обработки сигналов и приемника давления, подачу импульса синхронизации и выходной цифровой код. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности преобразования в низкочастотной области спектра воздействия. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Гидроакустическая приемная многоэлементная антенна выпуклой формы двойной кривизны, размещаемая в носовой оконечности носителя // 2626072

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к приемным многоэлементным гидроакустическим антеннам двойной кривизны, размещаемым в носовой оконечности носителя. Техническим результатом настоящего изобретения является создание формы рабочей поверхности гидроакустической антенны, позволяющей упростить устройство формирования характеристик направленности и алгоритмы обработки сигналов, принимаемых приемными каналами, снизить затраты на аппаратную часть ГАК. Для этого рабочая поверхность антенны выполнена в виде трех сопряженных частей круговых бочек - носовой и двух бортовых, сформированных путем скольжения образующей - дуги окружности радиуса Rv по направляющей, представляющей собой три сопряженные части окружностей радиусов Rnos (нос антенны) и Rbor (левый и правый борта антенны), при этом приемные каналы во всех текущих, определяемых номером "m", горизонтальных плоскостях, параллельных плоскости направляющей, расположены на дугах окружностей носовой и бортовых частей антенны таким образом, что отношение углового шага расположения каналов на носовой части к угловому шагу на бортовых частях составляет целое число. 3 ил.

Гидроакустический приемник для геофизической сейсмокосы // 2626812

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим приемникам звука для морских гибких протяженных сейсмокос. Гидроакустический приемник содержит цилиндрический пьезоэлемент, внутренняя поверхность которого герметично заэкранирована воздухом, и электрические выводы, в котором на наружную поверхность цилиндрического пьезоэлемента с натягом установлена полиуретановая трубка, а концевые части трубки, выступающие за торцы цилиндрического пьезоэлемента, герметично защемлены с помощью склейки и термической обработки, образуя герметичный шов, через которые герметично пропущены электрические выводы. Технический результат - повышение чувствительности приемника, уменьшение веса приемника давления, упрощение технологии его изготовления. 1 ил.

Сверхчувствительная гидроакустическая антенна на основе волоконно-оптических гидрофонов, использующая многоэлементные приёмники // 2627966

Изобретение относится к метрологии, в частности к волоконно-оптическим сенсорным системам. Антенна состоит из двух частей: вневодной части и подводной части, включающей в себя последовательно соединенные лазер, волоконно-оптический разветвитель 1×N излучения - на N каналов, делящий энергию излучения в равных долях на гидрофоны, где N - количество гидрофонов в антенне. Каждый гидрофон состоит из волоконно-оптического разветвителя 1×2, делящего излучение пополам в равном соотношении в волокна опорного и чувствительного плеч интерферометра, намотанных каждое на свои сердечники, при этом волокно опорного плеча намотано на твердый, не подвергающийся изменениям под воздействием внешнего акустического давления сердечник, а волокно чувствительного плеча намотано на эластичный сердечник, дополнительно усиливающий внешнее акустическое давление на свое волокно для большей чувствительности. На конце каждого волокна опорного и чувствительного плеч интерферометра установлены коллиматоры. Их выходные коллимированные пучки попадают на суммирующую полупропускающую пластинку. Суммарное излучение регистрируется многоэлементным приемником гидрофона. Выходные сигналы N гидрофонов поступают на устройство временного мультиплексирования. Технический результат – повышение чувствительности датчика. 2 ил.

Глубоководный широкополосный гидроакустический преобразователь // 2647992

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах излучения и приема гидроакустических сигналов антенн профилографов, систем связи и передачи информации необитаемых глубоководных подводных аппаратов, маяков-ответчиков. Предложен глубоководный широкополосный гидроакустический преобразователь, выполненный в виде полого водозаполненного цилиндра, открытого с одного торца и герметизированного по всей поверхности полимером, в котором на наружную цилиндрическую и тыльную поверхности полого водозаполненного цилиндра установлен двухслойный акустический экран в форме усеченного конуса для бокового и тыльного экранирования, выполненный из двух частей - внутренней, изготовленной из высокопрочного композитного материала с волновым сопротивлением, близким к волновому сопротивлению воды, и внешней - в виде металлической конической оболочки, установленной на боковую поверхность композитной части экрана, при этом основание тыльного экрана установлено на корпус носителя, а угол наклона боковой поверхности усеченного конуса к корпусу носителя составляет 20-40°. Такая конструкция преобразователя позволяет обеспечить заданную характеристику направленности при сохранении широкополосности и обеспечении работы на больших глубинах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.