Гидроакустический преобразователь

 

Использование: в гидроакустике. Сущность изобретения: преобразователь содержит прочный корпус, рабочую и тыльную накладки, стержневой пьезокерамический активный элемент, акустическую развязку, расположенную между тыльной накладкой и дном корпуса и адгезионно связанную с ними по торцам. Акустическая развязка выполнена из чередующихся слоев металла и эластомера, адгезионно связанных между собой. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к гидроакустическим устройствам, работающим в условиях ударных сотрясений с большими ускорениями и воздействиями ударных волн подводного взрыва, например при сейсмической геологоразведке.

Прочность преобразователя при ударных сотрясениях узлов крепления его корпуса (ударопрочность) и при непосредственном взаимодействии с ударной волной подводного взрыва (взрывопрочность) определяется, в основном, уровнем растягивающих механических напряжений в пьезокерамическом активном элементе. Для повышения ударопрочности и взрывопрочности в преобразователь вводят узлы конструкции, с помощью которых варьируется податливость опор активного элемента и локализация взрывных и ударных нагрузок.

Широко известный из литературы тип преобразователя содержит пьезокерамический активный элемент, жестко связанный с рабочей и тыльной накладками, а также корпус, связанный с рабочей накладкой упругим элементом (Богородский В. В. Подводные электроакустические преобразователи. Справочник. Л. 1983, рис. 6.1). Обеспечение ударо- и взрывопрочности преобразователя указанной конструкции является противоречивой задачей, поскольку ударопрочность его повышается, если увеличить податливость упругого элемента между рабочей накладкой и корпусом, но при этом снижается его взрывопрочность. Кроме того, с увеличением податливости упругого элемента снижается собственная прочность последнего.

Отчасти эта задача решена в преобразователе, защищенном патентом США N 4704709, который содержит достаточно податливый упругий элемент из стеклопластика, связывающий корпус с рабочей накладкой, и жесткий упор, установленный в осевом направлении между тыльной поверхностью рабочей накладки и корпусом с таким зазором, чтобы он выбирался при воздействии большого гидростатического давления или давления на фронте ударной волны подводного взрыва, предохраняя упругий элемент от разрушения. Если зазор между рабочей накладкой и упором корпуса достаточно мал, то взрывопрочность преобразователя может быть существенно повышена. Однако если преобразователь должен работать в широком диапазоне глубин погружения, указанный зазор не может оставаться постоянно малым, и взрывопрочность преобразователя, повышенная при предельной глубине, при малых глубинах снижается.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому преобразователю является преобразователь, защищенный патентом США N 4219889, который содержит двухмассовую колебательную систему, состоящую из пьезокерамического стержня с рабочей и тыльной накладками, размещенную внутри прочного и жесткого корпуса. Между корпусом и рабочей накладкой по ее наружному контуру находится эластичный элемент. Тыльная накладка опирается в осевом направлении на слоистую акустическую развязку, размещенную между ней и дном или уступом корпуса и выполненную в виде пачки бумаги.

Недостатком этого преобразователя является нестабильность его электроакустических характеристик при изменении глубины погружения, связанная с зависимостью упругих и диссипативных свойств слоистой акустической развязки от усилия сжатия, возникающего при действии гидростатического давления. Этот недостаток отмечается при описании конструкции этого преобразователя в описании патента N 4704709.

Нестабильность упругих свойств слоистой акустической развязки в виде пачки бумаги не позволяет повысить с ее помощью ударо- и взрывопрочность преобразователя при малых глубинах обеспечения воспроизводимости параметров такого преобразователя в производстве, определяемая большим рассеиванием и сильной зависимостью характеристик слоистой акустической развязки в виде пачки бумаги от условий сборки и контроля преобразователя.

Цель изобретения создание преобразователя, имеющего повышенную ударо- и взрывопрочность и стабильность электроакустических параметров во всем рабочем диапазоне глубин погружения, а также хорошую воспроизводимость электроакустических характеристик в производстве.

Для достижения цели в гидроакустический преобразователь, содержащий прочный корпус и установленный между рабочей и тыльной накладками стержневой пьезокерамический активный элемент, эластичный элемент, связанный с корпусом и наружным контуром рабочей накладки, слоистую акустическую развязку, расположенную между тыльной накладкой и дном корпуса, введены новые признаки, а именно слоистая развязка по торцам адгезионно связана с тыльной накладкой и дном корпуса и выполнена из адгезионно связанных между собой чередующихся слоев металла и эластомера.

Оптимальный результат достигается, если податливость слоистой развязки в осевом направлении равна соответствующей податливости эластичного элемента, умноженной на отношение массы рабочей накладки к массе тыльной накладки.

С введением новых признаков достигаются следующие эффекты.

Наличие адгезионной связи между слоистой развязкой, тыльной накладкой и дном корпуса, а также между слоями металла и эластомера, выбор количества и параметров которых позволяет регламентировать податливость развязки, обеспечивает независимость от глубины погружения упругих характеристик связи тыльной накладки с корпусом благодаря отсутствию стыков свободных поверхностей, в том числе и между слоями развязки (податливость стыков существенно зависит от нормального давления на них). Стабильность упругих характеристик обеспечивает стабильность электромеханических параметров и сохранение взрывопрочности преобразователя во всем рабочем диапазоне глубин погружения и при изменении условий его контроля в производстве.

Обратная пропорциональность массам накладок податливостей эластичного элемента между корпусом и рабочей накладкой и слоистой развязки между корпусом и тыльной накладкой приводит к равенству ускорений рабочей и тыльной накладок при ударном сотрясении корпуса. Последнее обеспечивает равенство нулю внутренних усилий и механических напряжений в центре тяжести активного элемента с накладками и, следовательно, повышается ударопрочность преобразователя.

На фиг. 1 приведен пример реализации предлагаемого преобразователя; на фиг. 2,3 пример реализации конструкции слоистой акустической развязки; на фиг. 4 результаты расчета и экспериментальной оценки максимальных механических напряжений в пьезокерамическом активном элементе при ударном сотрясении корпуса преобразователя без гидроакустического давления в условиях отсутствия адгезионной связи между слоистой развязкой, тыльной накладкой и корпусом, а также в условиях наличия указанной связи; на фиг. 5 результаты расчета максимальных механических напряжений в пьезокерамическом элементе при непосредственном воздействии на преобразователь ударной волны подводного взрыва в условиях отсутствия гидростатического давления и адгезионной связи слоистой развязки с тыльной накладкой и корпусом и с адгезионной связью слоистой развязки с тыльной накладкой и корпусом.

Конструкция преобразователя (фиг. 1) включает в себя стержневой пьезокерамический активный элемент 1, соединенный стяжкой с рабочей 2 и тыльной 3 накладками, размещенный в корпусе 4. Между корпусом и рабочей накладкой по ее наружному контуру размещен эластичный элемент 5 из резины, приклеенный в обеим деталям, например, эпоксидным клеем. Между тыльной накладкой и дном корпуса установлена слоистая развязка 6, адгезионно соединенная с ними с помощью, например, эпоксидного клея 7.

Конструкция слоистой развязки (фиг. 2,3), представляет собой металлические шайбы 8 и размещенные между ними слои 9 резины. Адгезионное соединение 10 между слоями резины и металлическими шайбами реализуется при ее вулканизации вместе с шайбами. Податливость слоистой развязки 6 равна податливости эластичного элемента 5, умноженной на отношение рабочей накладки к тыльной массе.

Работа преобразователя при ударных сотрясениях корпуса осуществляется следующим образом. В результате движения корпуса 4 и действия сил инерции, удерживающих активный элемент 1 с массивными накладками 2 и 3 на месте, эластичный элемент 5 между рабочей накладкой и корпусом и слоистая развязка между тыльной накладкой и дном корпуса одинаково деформируются и прикладывают к накладкам усилия, пропорциональные их массам. Поскольку ускорения рабочей и тыльной накладок при этом одинаковы, то длина активного пьезокерамического элемента не изменяется и в центре тяжести его деформации и механические напряжения равны нулю. Наличие адгезионной связи между тыльной накладкой, дном корпуса и слоистой развязкой обеспечивает стабильность характеристик жесткости слоистой развязки во всем диапазоне рабочих гидростатических давлений. Рассматриваемый эффект был проанализиpован расчетно и экспериментально.

На фиг. 4, где приведены результаты анализа, видно, что максимальные напряжения в активном элементе (вне его центра тяжести) при ударных сотрясениях предлагаемого преобразователя в условиях отсутствия гидростатического давления (кривая 11 расчетные данные и 12 экспериментальные данные) не менее, чем в 4 раза ниже, чем у преобразователя, у которого отсутствует адгезионное соединение слоистой развязки с тыльной накладкой и корпусом кривая 13 (преобразователь прототип).

При непосредственном взаимодействии с ударной волной подводного взрыва к рабочей накладке преобразователя прикладывается давление, нарастающее скачком. Движение рабочей накладки под действием этого давления вызывает деформацию сжатия активного элемента и, в дальнейшем, колебания активного элемента с накладками на преимущественно низшей собственной частоте. Длительность ударной волны обычно значительно больше периода собственных колебаний преобразователя, поэтому колебания активного элемента с накладками осуществляются в условиях действия давления в ударной волне, которым тыльная накладка через активный элемент прижимается к слоистой развязке.

В результате растягивающие напряжения в активном элементе снижаются. В том случае, когда отсутствует адгезионная связь слоистой развязки с тыльной накладкой и с корпусом и нет гидростатического давления, жесткость слоистой развязки в момент ударной волны мала и ее нарастание по мере перемещения активного элемента в корпусе и сжатия слоистой развязки происходит за время, в течение которого совершаются несколько периодов собственных колебаний активного элемента с накладками. Во время этих колебаний сжатие активного элемента мало и растягивающие напряжения в нем достигают высоких значений. Из результатов расчетов, представленных на фиг. 5, видно, что наличие адгезионной связи между слоями развязки, а также адгезионной связи слоистой развязки с тыльной накладкой и корпусом обеспечивает снижение растягивающих напряжений в активном элементе при нагружении взрывом предлагаемого преобразователя (кривая 14) почти в 5 раз по сравнению с растягивающими напряжениями в активном элементе преобразователя по патенту США N 4219889 (кривая 15).

Испытания показали также, что при введении акустической развязки между тыльной накладкой и корпусом, адгезионно связанной с ними, параметры преобразователя практически не зависят от гидростатического давления.

Таким образом, представленные расчеты и эксперименты показывают, что предложенная конструкция преобразователя решает поставленную задачу, т.е. обеспечивает повышение взрыво- и ударопрочности и независимость параметров от гидростатического давления во всем диапазоне рабочих глубин. При этом конструкция преобразователя технологична и значения его параметров стабильно воспроизводятся при измерениях в изменяющихся производственных условиях.

Формула изобретения

1. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий прочный корпус, размещенный в корпусе и установленный между рабочей и тыльной накладками стержневой пьзокерамический активный элемент, эластичный элемент, связанный с корпусом и наружным контуром рабочей накладки, слоистую акустическую развязку, расположенную между тыльной накладкой и дном корпуса, отличающийся тем, что слоистая акустическая развязка по торцам адгезионно связана с тыльной накладкой и дном корпуса и выполнена из чередующихся слоев металла и эластомера, адгезионно связанных между собой.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что податливость слоистой акустической развязки в осевом направлении равна соответствующей податливости эластичного элемента, умноженной на отношение массы рабочей накладки к массе тыльной накладки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5