Продольно-изгибный гидроакустический преобразователь

Предложен продольно-изгибный гидроакустический преобразователь с бочкообразной боковой стенкой герметичного корпуса, имеющей максимальные средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах, гофрированной вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к фланцам корпуса, удерживающим торцевые крышки с расположенным между ними активным элементом. Техническим эффектом является повышение электроакустического КПД, максимальной удельной акустической мощности и устойчивости к внешнему гидростатическому давлению, уменьшение разброса электроакустических параметров и упрощение сборки преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в качестве излучателя в антеннах для гидроакустических буев, в гибких протяженных буксируемых излучающих гидроакустических антеннах, для звукоподводной связи, в составе гидроакустических модемов и системах освещения подводной обстановки.

Излучение известных продольно-изгибных низкочастотных преобразователей производится за счет изгибных колебаний корпуса, возбуждаемого продольными колебаниями активного элемента.

Известны низкочастотные продольно-изгибные гидроакустические преобразователи, содержащие активный стержневой элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус бочкообразной формы, имеющий максимальный диаметр на торцах, а минимальный на половине высоты, торцевые крышки и герметизирующее покрытие (см., например, патенты US 4922470, US 5136556). Недостатками указанных низкочастотных продольно-изгибных гидроакустических преобразователей являются, с одной стороны, проблемы, связанные с необходимостью герметизации, низкая добротность при использовании резины и полиуретана для герметизации, а с другой стороны, низкая устойчивость к внешнему гидростатическому давлению и низкая надежность (малая наработка на отказ).

Недостатки известных продольно-изгибных низкочастотных преобразователей в значительной мере связаны с высокими динамическими и статическими напряжениями в ряде точек корпуса, а также снижением электроакустического КПД преобразователя при герметизации с помощью резины и полиуретана, сложностью обеспечения осевой симметрии корпуса преобразователя при подобных операциях и вызываемого этим разброса его электроакустических параметров и необходимостью дополнительной настройки.

Частично от указанных выше недостатков свободен выбранный в качестве прототипа низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь, известный из патента на полезную модель RU №81104 (дата приоритета 27.10.2008, МПК В06В 1/06, H04R 17/00), содержащий армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус бочкообразной формы с аксиальными профильными прорезями на боковой поверхности, имеющий максимальный диаметр на торцах, минимальный на середине высоты, и переменную по высоте толщину стенки, уменьшающуюся к центру, торцевые крышки и герметизирующее покрытие, причем образующие внутренней и внешней поверхности корпуса являются параболами с меньшим и большим радиусами кривизны соответственно.

Переменная по высоте корпуса толщина стенки увеличивает надежность прототипа вследствие уменьшения механических напряжений в его корпусе, а форма образующих в виде парабол, как имеющая наименьшее изменение радиуса кривизны при действии внешнего гидростатического давления, повышает его устойчивость к воздействию внешнего гидростатического давления и, наряду с размерами и жесткостью материала корпуса, определяет резонансную частоту преобразователя.

Недостатками прототипа, тем не менее, остаются достаточно низкая устойчивость к внешнему гидростатическому давлению из-за необходимости герметизации аксиальных профильных прорезей на боковой поверхности, которые выполнены для уменьшения жесткости корпуса в поперечном направлении с целью осуществлять излучение в низкочастотных диапазонах, сложность нанесения гидроизолирующего покрытия и возникающие вследствие этого разброс электроакустических параметров при изготовлении нескольких одинаковых преобразователей, а также низкий электроакустический КПД и снижение максимальной удельной акустической мощности (максимальной акустической мощности, приведенной к единице объема преобразователя).

Указанные недостатки объясняются тем, что при сборке преобразователя практически невозможно обеспечить идентичные условия герметизации (нанесения герметизирующего покрытия и установки элементов, закрывающих аксиальные профильные прорези корпуса), кроме того, ввиду поглощения энергии в элементах, устанавливаемых для герметизации понижающих резонансную частоту прорезей корпуса, при электроакустическом преобразовании происходит потеря энергии и понижение электроакустического КПД преобразователя.

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются: увеличение электроакустического КПД, повышение максимальной удельной акустической мощности преобразователя по сравнению с прототипом при тех же габаритах корпуса, увеличение надежности (наработки на отказ), повышение устойчивости к внешнему гидростатическому давлению, уменьшение разброса параметров, а также упрощение сборки и настройки преобразователя.

Эффект достигается тем, что продольно-изгибный гидроакустический преобразователь содержит активный элемент, расположенный между торцевыми крышками в корпусе с бочкообразной боковой стенкой, включающем в себя также фланцы, удерживающие торцевые крышки, и имеющем переменную вдоль продольной оси симметрии толщину бочкообразной боковой стенки.

Новым является то, что бочкообразная боковая стенка герметично выполненного корпуса, имеющая максимальные средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах, гофрирована вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к фланцам.

Новым в частном случае реализации изобретения по п. 2 формулы является то, что расстояние от продольной оси симметрии до внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса в поперечном сечении описывается выражением

R=r(z)+A(z)cos(n ϕ),

где ϕ (рад) - угол поворота в плоскости сечения, проходящей через продольную ось симметрии корпуса, r(z) (мм) - среднее расстояние от продольной оси симметрии до внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса в поперечном сечении, отстоящем на z (мм) от середины продольной оси симметрии, A(z) (мм) - амплитуда гофрирования, убывающая к фланцам (0<A(z)<0,2r(0)), n - число периодов гофрирования, выбираемое в зависимости от требуемых характеристик преобразователя, причем толщина бочкообразной боковой стенки в каждом поперечном сечении корпуса постоянна.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлен продольно-изгибный гидроакустический преобразователь (вид сверху, продольный и два поперечных разреза).

На фиг. 2 приведена фотография одного из возможных видов преобразователя.

На фиг. 3 приведен пример гофрирования бочкообразной боковой стенки преобразователя в соответствии с п. 2 формулы.

Предложенный продольно-изгибный гидроакустический преобразователь (см. фиг. 1, 2) содержит активный элемент 1, расположенный в корпусе 2 с бочкообразной боковой стенкой 3, включающем в себя также фланцы 4, между торцевыми крышками 5. Торцевые крышки 5 являются армирующим элементом и могут иметь отверстия для пропуска транзитных проводов, пролегающих во внутренней полости преобразователя. Корпус 2, включающий в себя фланцы 4, в отличие от корпуса прототипа, выполнен герметичным. Бочкообразная боковая стенка 3 выполнена с переменной вдоль продольной оси симметрии преобразователя толщиной, причем ее толщина в каждом поперечном сечении корпуса 2 постоянна (см. сечения А-А и Б-Б на фиг. 1) и имеет максимальные средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах. Бочкообразная боковая стенка 3 гофрирована вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к фланцам 4.

Предложенный низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический преобразователь работает следующим образом. При продольных колебаниях активного элемента 1, изменяющего свои размеры в направлении продольной оси преобразователя, возвратно-поступательные колебания фланцев 4 корпуса 2 преобразуются в колебания бочкообразной боковой стенки 3, в результате чего система «активный элемент 1 - корпус 2» совершает изгибные механические колебания, возбуждая упругие колебания окружающей среды.

В отличие от прототипа, в котором для понижения рабочих частот преобразователя уменьшение поперечной жесткости корпуса осуществлено за счет продольных прорезей в корпусе, в предлагаемом устройстве существенное понижение жесткости происходит ввиду равномерного распределения механического напряжения по излучающей поверхности (бочкообразной боковой стенке 3) преобразователя. Это достигается гофрированием бочкообразной боковой стенки 3 корпуса 2 с переменной вдоль продольной оси симметрии преобразователя амплитудой гофрирования при определенных соотношениях толщины бочкообразной боковой стенки 3 и поперечного размера корпуса 2. Равномерное распределение механического напряжения по всей поверхности преобразователя обеспечивает гофрированная форма корпуса 2, и дополнительно, как и в прототипе, переменная вдоль продольной оси симметрии преобразователя толщина бочкообразной боковой стенки 3. Более равномерное распределение нагрузки по сравнению с прототипом и герметичность корпуса 2 увеличивают электроакустический КПД и повышают максимальную удельную акустическую мощность преобразователя, а также обеспечивают большую устойчивость предлагаемого преобразователя к внешнему гидростатическому давлению.

Кроме того, за счет того что корпус 2 выполнен герметичным, предлагаемый преобразователь исключает недостатки прототипа, связанные с необходимостью герметизации элементов его корпуса 2, т.е. разброс электроакустических параметров изготавливаемых преобразователей и потери энергии при электроакустическом преобразовании (повышает электроакустический КПД), а также обладает простотой сборки.

Наилучший результат в соответствии с п. 2 формулы достигается в том случае, когда бочкообразная боковая стенка 3 корпуса 2 в поперечном по отношению к продольной оси симметрии корпуса 2 сечении имеет постоянную толщину, расстояние от продольной оси симметрии до внешней поверхности бочкообразной боковой стенки 3 корпуса 2 в поперечном сечении описывается выражением

R=r(z)+A(z)cos(n ϕ),

где ϕ (рад) - угол поворота в плоскости сечения, проходящей через продольную ось симметрии корпуса 2, r(z) (мм) - среднее расстояние от продольной оси симметрии до внешней поверхности бочкообразной боковой стенки 3 корпуса 2 в поперечном сечении, отстоящем на z (мм) от середины продольной оси симметрии, A(z) (мм) - амплитуда гофрирования, убывающая к фланцам (0<A(z)<0,2 r(0)), n - число периодов гофрирования, выбираемое в зависимости от требуемых характеристик преобразователя (см. фиг. 3).

Такая форма бочкообразной боковой стенки 3 позволяет обеспечить наиболее равномерное распределение механических напряжений в материале корпуса 2, что позволяет максимально понизить рабочий диапазон частот преобразователя, достигать большего электроакустического КПД, обеспечивая устойчивость к внешнему гидростатическому давлению, повысить значение максимальной удельной акустической мощности и увеличить надежность преобразователя (наработку на отказ).

Можно отметить еще, что поскольку резонансную частоту излучателя, в отличие от прототипа, определяют только форма и размеры корпуса 2, предлагаемый преобразователь способен осуществлять работу как в низкочастотном, так и в высокочастотном диапазонах. Активный элемент 1 в предлагаемом преобразователе может быть любым, выполняющим преобразование электрических колебаний в возвратно-поступательные колебания торцевых крышек 5, передаваемых фланцам 4 корпуса 2.

Прототип (см. Андреев М.Я., Боголюбов Б.Н., Клюшин В.В., Рубанов И.Л. Низкочастотный малогабаритный продольно-изгибный электроакустический преобразователь // Датчики и системы, 2010. №12. С. 51-55) при размерах 134×54 мм (длина × максимальный диаметр) и весом 1 кг имеет чувствительность на излучение до 1,7 Па⋅м/В в диапазоне 1,4-1,7 кГц, максимальную акустическую мощность 70 Вт, электроакустический КПД около 35%, устойчив к внешнему гидростатическому давлению до 30 МПа (что соответствует глубине 300 м). Разброс параметров при изготовлении корпуса и сборке преобразователя может достигать более 15%. Максимальная удельная акустическая мощность составляет 220-250 кВт/м3.

Испытания предложенного бочкообразного преобразователя с 14 волнами гофрирования и весом 0,87 кг с корпусом размером 86×90 мм (длина × максимальный диаметр) показали, что преобразователь обладает набором рабочих частот от 1,6 до 43 кГц, имеет чувствительность на излучение до 2 Па⋅м/В в диапазоне 1,7-2,3 кГц, максимальную акустическую мощность около 100 Вт, электроакустический КПД более 60%, обеспечивает устойчивость к внешнему гидростатическому давлению до 50 МПа (что соответствует глубине 500 м). Разброс параметров при изготовлении корпуса и сборке преобразователя составляет менее 5%. Максимальная удельная акустическая мощность составляет более 380 кВт/м3.

Таким образом, предлагаемый преобразователь, по сравнению с прототипом, обладает большим электроакустическим КПД, большей развиваемой удельной акустической мощностью, большей устойчивостью к внешнему гидростатическому давлению, меньшим разбросом параметров и прост в сборке и настройке.

1. Продольно-изгибный гидроакустический преобразователь, содержащий активный элемент, расположенный между торцевыми крышками в корпусе с бочкообразной боковой стенкой, включающем в себя также фланцы, удерживающие торцевые крышки, и имеющем переменную вдоль продольной оси симметрии толщину бочкообразной боковой стенки, отличающийся тем, что бочкообразная боковая стенка герметично выполненного корпуса, имеющая максимальные средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах, гофрирована вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к фланцам.

2. Продольно-изгибный гидроакустический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что расстояние от продольной оси симметрии до внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса в поперечном сечении описывается выражением

R=r(z)+A(z)cos(n ϕ),

где ϕ (рад) - угол поворота в плоскости сечения, проходящей через продольную ось симметрии корпуса, r(z) (мм) - среднее расстояние от продольной оси симметрии до внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса в поперечном сечении, отстоящем на z (мм) от середины продольной оси симметрии, A(z) (мм) - амплитуда гофрирования, убывающая к фланцам (0<A(z)<0,2r(0)), n - число периодов гофрирования, выбираемое в зависимости от требуемых характеристик преобразователя, причем толщина бочкообразной боковой стенки в каждом поперечном сечении корпуса постоянна.



 

Похожие патенты:

Гидрофон // 2678956
Изобретение относится к метрологии, в частности к гидрофонам. Гидрофон содержит две чашеобразные мембраны, края которых закреплены на многослойной печатной плате с двух сторон с образованием герметизации внутренних пространств мембран.

Изобретение относится к акустике, в частности к электроакустическим преобразователям. Электроакустический преобразователь с демпфированием излучающей мембраны содержит корпус с отверстиями для выхода акустических колебаний, внутри которого по периферии закреплена излучающая мембрана с пьезоэлементами, соединенными проводниками с генератором электрических колебаний.

Изобретение относится к ультразвуковому преобразователю. Ультразвуковой расходомер содержит: центральный проход для протекания потока текучей среды, предназначенной для измерения, множество пар ультразвуковых преобразователей, причем каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования хордальной траектории через указанный проход между указанными преобразователями, а каждый из указанных преобразователей содержит: пьезоэлектрический кристалл, эпоксидную смолу, содержащую вкрапления в виде стеклянных шариков, которые уменьшают ее плотность, и заключающую в оболочку пьезоэлектрический кристалл, цилиндрический усиливающий стакан, вделанный в эпоксидную смолу, причем указанный стакан содержит сетку из волокон и окружает пьезоэлектрический кристалл.

Использование: для преобразования электрической энергии в механические колебания на частоте в акустическом диапазоне, а также для приема таких звуковых волн путем преобразования механической энергии в электрическую энергию.

Группа изобретений относится к ультразвуковой визуализации объектов.  Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах содержит генератор и блок обработки информации, корпус, лазер, первую и вторую двояковыпуклую оптическую линзы, полупрозрачное оптическое зеркало, отражающее оптическое зеркало, приёмную матрицу, плоско-выпуклую оптическую линзу, диск с первыми сквозными отверстиями, в каждом из которых размещён волновод с входным и выходным торцами, акустическую линзу, акустический излучатель.

Изобретение относится к акустике, в частности к электроакустическим пьезоэлектрическим преобразователям. Электроакустический пьезокерамический преобразователь, содержащий корпус, соосно последовательно скрепленный диффузородержатель, диффузор и пакеты из двух пьезокерамических биморфов с межбиморфными узлами скрепления, отличающийся тем, что между вершиной диффузора и корпусом, с помощью центральных скрепляющих стоек, закреплены два или несколько пакетов, состоящих каждый из двух пьезокерамических биморфов, соединенных по периферии узлами скрепления, разделенных центральной скрепляющей стойкой, электрически соединенных таким образом, чтобы при подаче переменного напряжения заданной частоты, пьезокерамические биморфы в пакетах изгибались в противоположных направлениях, передавая механические колебания к вершине диффузора с амплитудой, равной сумме векторов + h всех пьезокерамических биморфов.

Изобретение предназначено для использования при дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии изделий из бетона и горных пород. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности, при этом каждый из электродов на боковых поверхностях разделен на N идентичных секций, причем первая секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с второй секцией первой боковой поверхности, N-1 секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с N секцией первой боковой поверхности, а первая секция электрода первой боковой поверхности и N секция электрода второй боковой поверхности являются выходами пьезопреобразователя.

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям. Электроакустический преобразователь содержит генератор переменного напряжения, цилиндрический корпус, соосно расположенные в нем круглый биморф с двумя пьезоэлементами, скрепленный с выпуклой мембраной над ним и общим плоским кольцевым держателем, снабжен над выпуклой мембраной акустическим отражательным экраном с периферийными узлами соосного крепления его к цилиндрическому корпусу.

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям. Преобразователь содержит соосно скрепленные диффузородержатель, диффузор, волновод с жестко сопряженным с ним биморфным пьезоэлементом, проводники к источнику электрических колебаний.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к пьезоэлектрическим преобразователям. Пьезоэлектрический преобразователь содержит металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены протектор, пьезоэлемент, опорное кольцо и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом.

Гидрофон // 2678956
Изобретение относится к метрологии, в частности к гидрофонам. Гидрофон содержит две чашеобразные мембраны, края которых закреплены на многослойной печатной плате с двух сторон с образованием герметизации внутренних пространств мембран.

Использование: для разделения дисперсных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковая колебательная система в первом варианте содержит рабочий волновод, пьезоэлектрический преобразователь, включающий соединенные стяжным элементом излучающую и отражающую накладки с пьезокерамическими пластинами между ними, а также противовесный резонатор, имеющий одну и ту же частоту ультразвуковых колебаний с преобразователем, при этом последний плотно соединен через рабочий волновод с упомянутым резонатором, акустически контактируя с боковыми поверхностями рабочего волновода.

Изобретение относится к метрологии, в частности к стендам для оценки качества звукопоглотителей. Стенд содержит металлический корпус, стенки которого облицованы исследуемым звукопоглотителем, на днище корпуса через упругодемпфирующую прокладку установлен регулируемый источник шума, причем регулировка осуществляется по громкости звука и частоте сигнала с помощью усилителя мощности сигнала и осциллографа, а на расстоянии 1 м от крышки корпуса закреплен микрофон, сигналы уровней звукового давления от которого поступают на анализатор спектра частот, а затем на компьютер для обработки полученной информации.

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано для возбуждения пьезоэлементов электроакустических преобразователей, например, в устройствах звукового оповещения и т.д.

Изобретение относится к устройствам для создания механических колебаний и может быть использовано в промышленности, на транспорте и в быту в установках ультразвуковой сварки и мойки, эхолокации, а также в шаговых пьезоэлектрических двигателях.

Изобретение относится к ультразвуковому преобразователю. Ультразвуковой расходомер содержит: центральный проход для протекания потока текучей среды, предназначенной для измерения, множество пар ультразвуковых преобразователей, причем каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования хордальной траектории через указанный проход между указанными преобразователями, а каждый из указанных преобразователей содержит: пьезоэлектрический кристалл, эпоксидную смолу, содержащую вкрапления в виде стеклянных шариков, которые уменьшают ее плотность, и заключающую в оболочку пьезоэлектрический кристалл, цилиндрический усиливающий стакан, вделанный в эпоксидную смолу, причем указанный стакан содержит сетку из волокон и окружает пьезоэлектрический кристалл.

Изобретение относится к ультразвуковому преобразователю. Ультразвуковой расходомер содержит: центральный проход для протекания потока текучей среды, предназначенной для измерения, множество пар ультразвуковых преобразователей, причем каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования хордальной траектории через указанный проход между указанными преобразователями, а каждый из указанных преобразователей содержит: пьезоэлектрический кристалл, эпоксидную смолу, содержащую вкрапления в виде стеклянных шариков, которые уменьшают ее плотность, и заключающую в оболочку пьезоэлектрический кристалл, цилиндрический усиливающий стакан, вделанный в эпоксидную смолу, причем указанный стакан содержит сетку из волокон и окружает пьезоэлектрический кристалл.

Изобретение относится к возбудителю колебаний с компенсированием нагрузки для динамического возбуждения испытуемого образца. Устройство включает базу, исполнительный механизм, арматуру с возможностью движения относительно базы, проведенную через линейное средство управления параллельно направлению импульсов возбуждения, и пневматическое средство компенсирования нагрузки, компенсирующее, по меньшей мере, силу тяжести арматуры и испытуемого образца.

Изобретение относится к акустике, в частности к акустическим средствам сепарации. Устройство для сепарации с помощью акустофореза содержит проточную камеру, имеющую вход и выход, ультразвуковой преобразователь, расположенный на стенке проточной камеры, причем преобразователь включает в себя пьезоэлектрический материал, приводимый в действие сигналом напряжения с возможностью создания многомерной стоячей волны в проточной камере, причём многомерная стоячая волна включает в себя аксиальный компонент и боковой компонент, которые имеют одинаковый порядок величины, отражатель, расположенный на стенке на противоположной стороне проточной камеры от ультразвукового преобразователя.

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к электромеханическому приводу. Устройство для получение вращательного движения содержит корпус, выходной вал, установленный в опорах, два гибких деформируемых колеса волновой передачи, два составных двухволновых пьезогенератора волн деформации, деформирующие гибкие зубчатые или фрикционные колеса и рычаги.

Предложен продольно-изгибный гидроакустический преобразователь с бочкообразной боковой стенкой герметичного корпуса, имеющей максимальные средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах, гофрированной вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к фланцам корпуса, удерживающим торцевые крышки с расположенным между ними активным элементом. Техническим эффектом является повышение электроакустического КПД, максимальной удельной акустической мощности и устойчивости к внешнему гидростатическому давлению, уменьшение разброса электроакустических параметров и упрощение сборки преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх