Гидроакустический излучатель

 

Использование: при разработке высокоэффективных низкочастотных излучателей малых размеров , обладающих направленностью. Сущность изобретения: активный элемент излучателя выполнен в виде чередующегося набора пьезокерамических шайб и кольцевых прокладок из акустически мягкого материала, а частотопонижающая накладка выполнена в виде сплошного конуса, торец меньшего диаметра которого механически связан с активным элементом через гибкую прокладку. Высота кольцевых прокладок равна 02 высоты пьезокерамических шайб, а площадь поперечного сечения равна 02 площади поперечного сечения пьезокерамических шайб. Отношение радиуса основания большего диаметра фронтальной накладки к радиусу ее основания меньшего диаметра равно 3. Резонансная частота системы гибкая прокладка - фронтальная коническая накладка f (065-0.7)f. где f - частота полуволнового резонанса стерх--- невого активного элемента 3 ил.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

1 (21) 4944233/10 (22) 140о,91 (46) 30.10,93 бюл. Йв 39-40 (75).Ермоленко Ю.Г„. Касаткин БА; Матвиенко IG3. (73) Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения PAH (54) ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ (87j Истюльзование: лри разработке аюсокоэффективных низкочастотных излучателей малых размеров, обладающих направленностью. Сущность изобретения: активный элемент излучателя вылолнен в виде чередующегося набора льезокерамических шайб и кольцевых прокладок из акустически мягкого материала, а частотолонижающая накладка (ю) RÌÄ пц 200238 11 (Я) 5 НÎ4К144 выполнена в виде сплошного конуса, торец меньшего диаметра которого механически связан с активным элементом через гибкую прокладку. Высота кольцевых нрокладок равна 02 высоты пьезокерамических шайб а ллощадь поперечного сечения равна 02 плошади лолеречного сечения льезокерамических шайб. Отношение радиуса основания большего диаметра фронтальной накладки к радиусу ее основания меньшего диаметра равно Э.

Резонансная частота системы гибкая прокладка— фронтальная коническая накладка f =(0.65-0.7ф, реэ 1 где f — частота лолуволнового резонанса стерх т . невого активного элемента 3 ил.

2002381

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке высокоэффективных низкочастотных излучателей малых размеров, обладающих направленностью.

Известен гидроакустический излучатель (Камп Л. Подводная акустика. М.: Мир, 1972, с, 163), содер>кащая стержневой пьезоэлемент с накладками, стянутыми армирующей шпилькой, причем тыльная накладка используется для понижения резонансной частоты излучателя, а фронтальная — для излучения в рабочую среду.

Недостатком конструкции является низкая чувствительность при использовании массивных частотопонижающих накладок и отсутствие направленности излучения,: Одна частотопонижающая накладка т1озволяет понизить частоту Ht. более чем вдвое, однако ее масса при этом должна втрое превышать массу пьезоэлемента.

Известен также преобразователь, содержащий пьезоэлемент,. накладки и гибкую прокладку; в котором эффект понижения: резонансной частоты:c помощь о .. массовой нагрузки существенно увеличен путем прйсоединения массы к пьезоэлементу через гибкую прокладку, образующую с массой резонансную систему (авт.св.

М 837423), при атом эффект увеличения массовой нагрузки зависит от степени близости рабочей частоты к резонансной частоте системы гибкая прокладка-.масса, а сама физическая масса частотопонижающей накладки может быть сравнительно небольQJ 0A.

Недостатком такого преобразователя является отсутствие направленности и низкий коэффициент полезного действия вследствие малой величины активной составляющей сопротивления излучения. на низких частотах, Известен также преобразователь (авт.св. М 759148), содержащий активный элемент в виде пакета пьезокерамических шайб (пьезоэлемент), излучающую накладку в виде полого конуса (рупора) и тыльную накладку, в котором понижение резонансной частоты достигнуто путем использова ния внутреннего объе ла цилиндрического пьезоэлемента в качестве резонатора Гельмгольца, а направленность излучения достигнута путем использования накладки в виде рупора, причем для увеличения чувствительности излучение обьема резонатора

Гельмгольца и рупора сфазировано, В таком преобразователе продольный размер пьезоэлемента, определяющий резонансную частоту резонатора Гельмгольца, равен четверти длины волны Л 14 в рабочей среде, однако продольный размер рупора равен

Л/2, а размер выходного сечения рупора порядка Л, Недостатком такого преобразователя является то, что на низких частотах его размер Л и вес становятся недопустимо большими, Указанный преобразователь является наиболее близким к изобретению.

10 Цель изобретения — повышение чувствительности и КПД в режиме излучения, увеличение направленности, уменьшение габаритных размеров и веса.

Для достижения цели в активный эле"5 мент излучателя, выполненный в виде чередующегося набора пьезокерамических шайб, введены прокладки из акустически мягкого материала, например сферопластика, а частотопонижающая-накладка, являясь

20 излучающей, выполнена в виде сплошного конуса, основание меньшего диаметра которого механически связано с активным эле- ментом через гибкую прокладку. Тыльная накладка выполнена в виде полусфериче25 ской оболочки, жестко связанной с тыльной стороной активного элемента, причем вся поверхность излучателя боковая и торцовая, нагружена на рабочую среду.

Выполнение активного элемента в виде периодического набора чередующихся слоев из пьезокерамических шайб и кольцевых прокладок из акустически мягкого материала типа сферопластика с отношением геометрических размеров hz = 0,2h>, Sz = 0,2S>, Э5 h<, hz — высоты пьезокерамической шайбы и кольцевой прокладки;

S<, $2 — площади поперечного сечения пьезокерамической шайбы и кольцевой прокладки, позволяет уменьшить примерно в

40 четыре раза эффективную скорость звука в активном элементе и его резонансный размер соответственно при незначительном снижении эффективного коэффициента электромеханического преобразования, 45 4

Построение активного элемента в виде мелкослоистой структуры на основе пьезокерамики и акустически мягкого элемента было известно и ранее (авт.св. N 1582955) и

50 использовано для выравнивания скорости звука в активном элементе и рабочей среде (воде), однако в предлагаемом изобретении использование кольцевых прокладок малой площади значительно усиливает эффект

55 уменьшения скорости звука в активном элементе и его акустической жесткости, что дает дополнительный эффект дальнейшего понижения резонансной частоты излучателя с помощью массовой нагрузки, поэтому

2002381

30

40

50 данный отличительный признак следует считать существенным.

Выполнение фронтальной накладки в виде сплошного конуса с коэффициентом . формы N = а1/а1(а1, a2 — радиусы оснований большего и меньшего диаметров конуса) позволяет использовать ее в качестве акустического трансформатора, увеличивающего в

N раз активную и в N раз массовую нагрузки на активный элемент за счет увеличения сопротивления излучения, а ее присоединение к торцу активного элемента через гибкую прокладку приводит к дополнительному увеличению нагрузки на активный элемент в Ораз, где0=

1рез 1 V ES

2Af 2ж Mh трез =—

=- трез f, М = М1+ М2

Е, S, h — модуль Юнга, площадь поперечного сечения и высота гибкой прокладки, М1, М2 — масса конической накладки и присоединенная масса рабочей среды; fpee— резонансная частота механической системы гибкая прокладка — суммарная масса М;

f — рабочая, частота излучателя (f < 1р„).

Применение акустического трансформатора и массовой нагрузки для уменьшения резонансной частоты, а также подключение массовой нагрузки через элемент гибкости для усиления эффекта понижения резонансной частоты (авт.св.

М 759148) являются известными, однако в предлагаемом изобретении вся совокупность взаимосвязанных параметров, таких как коэффициент формы N, масса конической накладки М1 и резонансная частота

fpea подобраны таким образом, чтобы выполнились одновременно: условие максимального понижения рабочей частоты излучателя массовой нагрузки (f == (0,5—

0,55)f1, f1 = с1/2i1 — частота полуволнового резонанса активного элемента длиной 11 с эффективной скоростью c1, условие равенства обьемных скоростей излучающих торцов (v1S1 = v252, ч1$1 — колебательная

cK0pocTb и площадь тыльнОГО торца; v2, S2— колебательная скорость и площадь торца конической накладки), обеспечивающее направленность излучения; условие согласования излучателя с нагрузкой (гм.n. = Верех, rM.n. — полное сопротивление механических потерь; Еех — входной механический импеданс конической накладки, подключенной к активному элементу через гибкость), обеспечивающее максимальную чувствительность излучателя.

Применение фронтальной накладки и гибкой прокладки с учетом оптимальных параметров Й = 3-4; M = 0,5Ме (М, — масса активного элемента); р, =- (0,65-0,7) 1 обес печивэет в совокупности высокоэффективное излучение при минимальных габаритах и весе излучателя, тогда как ни один из них, взлтый в отдельности, не обеспечивает конечный положительный разу ьтэт, Предложенное техническое решение соответствует критерию существенных отличий.

На фиг. 1 схематически изображен излучатель с указанием фазы колебаний отдельных элементов его поверхности, на фиг. "— эпюры распределения колебательной ск:;рости по излучающей поверхност.и; на фиг.

3 иаображены схематично диаграммы направленности для диполя Ф1 (0l, бокового излучения ФЩ суммарная диаграмма Ф(6), экспериментальная характеристика направленности Фeccn{g

Излучатель содержит активный злемент, набранный из чередующегося набора пьезокерамических шайб 1 с осевой поляризацией и кольцевых прокладок из сферопластика 2, стянутых армирующей шпилькой (на чертеже не показаны), коническую накладку 3, соединенную с активнь;м элементом через гибкую прокладку 4, и тыльную накладку 5, Боковая поверхность активного элемента и торцовые сОединения гермет..зированы (на чертеже не показаны элеме ты герметизации).

Излучатель работает следующим об гзом.

При подаче электрического напряженил на активный элемент в нем возбуждаются механические колебания, которые через торцевые соединения возбуждают колебания в обеих накладках. Резонансная частота определяется как параметрами активного элемента, так и реактивной составляющей (и не рц ион ной) выходного сопротивления накладок, Мода колебаний, устанавливающихся в активном элементе с учетам массовой нагрузки конической накладкой, близка к четвертьволновой с минимумом амплитуды колебательной скорости на торце конической нагрузки, при этом объемные колебательные скорости на обоих излучающих торцах примерно равны и направлены в одну сторону.

Осевые колебания вызывают также радиальные колебания боковой поверхности излучателя, при атом фаза создаваемого радиальными колебаниями давления совпадает с фазой давления на излучающем торце конической накладки и противоположна фазе давления, создаваемого тыльной накладкой, что в совокупности способствует формированию направленного излучения, 2002381

"Ф максимум которого соответствует фронтальному излучению конической накладки, Характеристика направленности излучателя формируется излучением всей его поверхности, боковой и торцовой. Фиг, 2 поясняет характер моды колебаний излучателя для осевой ч и радиальной чг компонент вектора смещения, в соответствии с которым амплитуда осевой компоненты колебательной скорости ч на излучающем торце существенно меньше амплитуды колебательной скорости v< на тыльном торце, однако их объемные скорости примерно равны v>S< = vzSz u совпадают по направлению. Это означает, что два излучающих торца образуют диполь, парциальная диаграмма направленности которого приближенно описывается формулой Ф (Я з1п(К созф 1 = — (И +! г), KL = (0,25-0,3) л;

2

Боковая поверхность. излучает как слабо найравленная антенна бегущей волны, т.к. фронтальный торец излучателя примерносогласован с рабочей средой, а парциальФормула изобретения

ГИДРОАКУСТИЧ Е СКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛ Ь, содержащий активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб с поляризацией. по высоте, помещенный . между конической фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и КПД, увеличения направленности, уменьшения габаритных размеров и веса, коническая фронтальная накладка выполнена сплошной и связана со стержневым активным элементом через ная диаграмма направленности изображена на фиг. 3.

Суммарная диаграмма направленности

Ф(6) = Ф1(6) + 4 v Rl ФЩ (v — коэффициент

5 Пуассона для активного элемента излучателя) приобретает вид, поясняемый фиг. 3, там же приведена экспериментальная характеристика направленности;

10 В сравнении с прототипом, в предложенном техническом решении продольный размер излучателя уменьшен вдвое и близок к четверти длины волны в рабочей среде

l + lp = (0,25-0,3) А, поперечный размер су15 щественно меньше длины волны 2а «

«1 2ag «А, при этом направленность излучателя увеличивается в 2-3 раза, чувствительность в 3-4 раза; а КПД излучателя близок к 0,5.

20 (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 837423, кл. В 06 В 1(06, 1979.

Авторское свидетельство СССР

¹ 759148. кл. В 06 В 1/06, 1987.

25. введеннную гибкую прокладку, между пьв зокерамическими шайбами стержневого активного элемента установлены введенные кольцевые прокладки из акустически

30 мягкого материала, высота которых равна

0,2 высоты пьезокерамических шайб, а площадь поперечного сечения равна 0,2 площади поперечного сечения пьезокерамических шайб, причем отношение радиу35 са основания большего диаметра конической фронтальной накладки к радиусу ее основания меньшего диаметра равно

3,. а резонансная частота системы гибкая прокладка - фронтальная коническая на40 кладка 1рез = (0,65 - 0,7)f> где f - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента.

2002381

+z ce(®

Составитель Ю.Ермоленко

Редактор Т.Лошкарева Техрвд М,Моргентал . Корректор: М.Ткач

Тираж Подписное

НПО"Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж 35. Раушская наб., 4/б

Заказ 3178 производственно-издательский комбинат "патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101