Широкополосный цилиндрический пьезокерамический преобразователь для гидроакустических станций

 

Пьезокерамический цилиндрический излучатель для гидроакустических станций состоит из цилиндров одинакового размера. Цилиндры изготовлены из пьезокерамики разных составов, имеющих различную скорость распространения звука. Технический результат - получение широкой полосы рабочих частот. 3 ил.

На фиг.1 изображена конструкция цилиндрического преобразователя, составленного из отдельных пьезокерамических колец.

Такие преобразователи широко применяются в настоящее время в гидроакустических станциях, причем кольца могут быть как сплошные, так и секционированные.

Ширина полосы частотной характеристики такого преобразователя Δf определяется его толщиной d, а относительная полоса (или декремент ) определяется отношением наружного радиуса к толщине .

Так, например, для цилиндра, работающего на радиальных колебаниях

а для цилиндра, работающего на колебаниях изгиба:

где: (ρс)_в и (ρс)_к - волновые сопротивления воды и керамики,

К_э - коэффициент экранировки (0,5 для I и 0,25 для II).

В ряде случаев, например, при работе в режиме связи или в режиме частотной модуляции требуется полоса частот более широкая, чем та, которая может быть обеспечена рассматриваемыми преобразователями за счет уменьшения толщины колец d. Минимальная толщина кольца для данного диаметра определяется технологическими и конструктивными соображениями, в связи с чем изготовление колец с отношением практически невозможно. При этом относительная полоса при работе на радиальных колебаниях получается порядка 20÷30%.

Для изгибных преобразователей толщина кольца должна быть больше и максимальная полоса получается, соответственно, меньше - порядка 10÷15%.

Ширина частотной характеристики рассматриваемого преобразователя могла бы быть расширена, если бы кольца, из которых он составлен, имели бы различную резонансную частоту. В настоящей заявке предлагается осуществить такой сдвиг резонансных частот путем применения колец, изготовленных из пьезокерамики разных составов. Так, например, в таблице 1 (фиг.2) приведены относительные значения скорости звука для составов пьезокерамики, условно обозначенных номерами III, V, VI. Они соответствуют относительным значениям резонансных частот для колец одинаковых геометрических размеров, выполненных из этих составов (т.к. f₀≡С_зв.)

Частотные характеристики таких колец при изображены на фиг.2.

На фиг.3 приведены суммарные частотные характеристики, полученные путем сложения (с учетом фазы) колебаний колец с разными частотами и разными декрементами.

Результаты расчета показывают, что можно получить расширение полосы примерно в 2,5 раза, по сравнению с полосой преобразователя, собранного из колец одного состава.

Следует отметить, что расширение полосы происходит в сторону низких частот (по сравнению с преобразователем из пьезокерамики III состава), при этом уменьшается волновой размер преобразователя, что существенно при формировании характеристики направленности базой, составленной из рассматриваемых преобразователей. Из расчетов следует также, что для получения максимально широкой полосы нужно применять комбинацию колец VI и V (или III) составов, а для расширения полосы более узкополосных преобразователей - комбинацию V и III составов. Для того чтобы характеристика направленности преобразователя не отличалась от характеристики обычного цилиндра, следует располагать в столбе кольца разных составов поочереди, как обозначено цифрами на фиг.1 и соблюдать условие

где: х - длина волны на рабочей частоте, а

n - число колец одного состава преобразователе.

КПД преобразователя, составленного из колец, имеющих разную резонансную частоту, не будет существенно отличаться от КПД обычного преобразователя, т.к. электромеханический КПД преобразователей из рассматриваемых составов достаточно высок даже в широкой полосе частот.

Предлагаемое решение имеет то преимущество, что кольца из разных составов могут иметь почти совершенно одинаковую конструкцию.

При расчете характеристик на фиг.3 максимумы частотных характеристик были нормированы к единице.

Практически для выравнивания максимальных значений может быть предложено несколько способов:

1) питание разных колец от разных выходов генератора, напряжением, обратно пропорциональным величине (d₃₃·Е _ю) для данного состава (см. табл.), в этом случае кольца могут быть выполнены совершенно идентичными.

2) изменение расстояния между электродами кольца пропорционально (d ₃₃·Е_ю), при этом секционированные кольца различных составов должны быть изготовлены из призм разной толщины.

Предполагаемый эффект.

Следует ожидать, что применение преобразователей предлагаемой конструкция, т.е. набранных из колец выполненных из пьезокерамики различных составов, позволит получить при заданной неравномерности частотной характеристики значительно более широкую полосу рабочих частот, без существенного изменения других основных параметров гидроакустической системы (КПД и коэффициента концентрации).

Формула изобретения

Пьезокерамический цилиндрический излучатель для гидроакустических станций, набранный из цилиндров одинакового размера, отличающийся тем, что, с целью получения широкой полосы рабочих частот, цилиндры изготовлены из пьезокерамики разных составов, имеющих различную скорость распространения звука.

РИСУНКИ