Широкоимпульсный гидроакустический излучатель

 

Использование: при разработке низкочастотных излучателей малых размеров, работающих в полосе частот. Сущность изобретения: широкоимпульсный гидроакустический излучатель содержит активный элемент, состоящий из пьезоактивных секций и гибких пассивных прокладок, фронтальную коническую накладку стягивающий болт с гайкой, корпус, соединенный с фронтальной конической накладкой через гибкие прокладки, герметизирующее кольцо, тыльную накладку и внутреннее заполнение. Толщины пьезоактивных секций относятся как числа 5 : 2 : 2 : 1 : 1 : 1 : 1. Толщина каждой прокладки d(0,25 : 0,3)d₁, где d₁ - толщина пьезоактивной секции наименьшей толщины. Отношение диаметра большего основания к диаметру меньшего основания фронтальной накладки в виде усеченного конуса равно 2 : 2,5. 1 ило

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке низкочастотных излучателей малых размеров, работающих в полосе частот.

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

Недостатками такого излучателя являются низкая чувствительность при использовании массивных частотопонижающих накладок, малая полоса рабочих частот и недостаточная направленность.

Известен гидроакустический излучатель (Носов В.Н. Новые акустические преобразователи с односторонней направленностью колебаний для геофизических работ. М. 1988, М-во геологии СССР, Межотраслевой научно-технический комплекс "Геос", ВНИИгеоинформсистем, с. 14, рис.5б), содержащий корпус, активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб, коническую фронтальную и тыльную накладки, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь. В таком излучателе понижение резонансной частоты определяется совместным влиянием тыльной накладки и фронтальной конической накладки, а эффективность излучения увеличена за счет трансформирующих свойств конической фронтальной накладки и уменьшения массы тыльной накладки.

Недостаток излучателя слабая направленность, обусловленная излучением корпуса, жестко связанного фланцевым соединением с излучающей фронтальной накладкой, малая рабочая полоса частот и сравнительно большие размеры. Указанный излучатель является наиболее близким к заявляемому изобретению.

В основу изобретения положена задача разработки малогабаритного направленного гидроакустического излучателя, обеспечивающего эффективную работу в широкой полосе частот и предназначенного для использования на необитаемых подводных аппаратах и других подводных средствах.

Поставленная задача решается тем, что в гидроакустическом излучателе, содержащем корпус, 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, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь, набор пьезокерамических шайб разделен гибкими пассивными прокладками на семь секций, толщины которых относятся как числа 5 2 2: 1 1 1 1. Толщина каждой прокладки d (0,25^oC0,3)d₁, где d₁ толщина секции наименьшей толщины, причем к фронтальной конической накладке обращена секция наибольшей толщины, отношение диаметра большего основания к диаметру меньшего основания фронтальной конической накладки в виде усеченного конуса, равно 2 2,5, резонансная частота фронтальной конической накладки f_рез (0,6^oC0,8)f₁, где f₁ частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, а соединение фронтальной конической накладки и корпуса излучателя выполнено гибким. Такое конструктивное исполнение излучателя позволило существенно уменьшить его габариты и вес за счет применения гибких пассивных прокладок при сохранении достаточно высокой эффективности его работы, которая неизбежно уменьшается при введении гибких пассивных прокладок. В заявляемом излучателе гибкие прокладки сосредоточены в основном в тыльном звене активного элемента, где малы пьезонапряжения, и отсутствуют во фронтальном звене, где пьезонапряжения достигают максимального значения, поэтому эффективный коэффициент электромеханического преобразования уменьшается незначительно в сравнении с монолитным пьезоэлементом.

Кроме того, введение гибких прокладок позволяет уменьшить жесткость активного элемента, а следовательно, и его добротность на резонансных частотах и расширить полосу рабочих частот.

Направленность излучателя улучшена в сравнении с прототипом благодаря применению гибкой развязки корпуса от излучающей фронтальной накладки и уменьшению тыльного излучения.

Рабочая полоса частот сформирована в окрестности двух резонансных частот связанных колебаний излучателя с сохранением достаточно высокой эффективности его работы, как на резонансных частотах, так и в широкой полосе частот. Нижняя рабочая частота излучателя соответствует четвертьволновому резонансу активного элемента, т.е. в сравнении с прототипом она понижена примерно в два раза при сравнимых размерах активного элемента.

Таким образом, излучатель в новой совокупности существенных признаков по своим характеристикам превосходит по уровню техники известные аналогичные излучатели, а совокупность существенных признаков изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом.

На чертеже схематически представлен широкоимпульсный гидроакустический излучатель.

Излучатель содержит активный элемент 1, состоящий из секций 2 и гибких пассивных прокладок 3, фронтальную коническую накладку 4, стягивающий болт 5 с гайкой 6, корпус 7, соединенный с фронтальной конической накладкой через гибкие прокладки 8, герметизирующее кольцо 9, тыльную накладку 10 и внутреннее заполнение 11.

Первая секция 2 образует фронтальное звено, нагруженное непосредственно на фронтальную коническую накладку 4. Она набрана из пьезоактивных шайб, поляризованных по толщине, имеет максимальный коэффициент электромеханического преобразования, акустическую жесткость и скорость звука.

Две последующие секции 2 совместно с тремя гибкими пассивными прокладками 3 образуют промежуточное звено с пониженными коэффициентом электромеханического преобразования, акустической жесткостью и эффективной скоростью звука.

Последние четыре секции 2 с тремя гибкими пассивными прокладками 4 между ними образуют тыльное звено с низкими коэффициентом электромеханического преобразования, акустической жесткостью и эффективной скоростью звука.

Суммарная длина каждого из трех звеньев активного элемента 1 примерно одна и та же, эффективная жесткость активного элемента 1 в целом уменьшена в (3 4) раза в сравнении с жесткостью монолитного активного элемента из пьезокерамики, а рабочая полоса частот активного элемента 1 соответственно увеличена в (1,5^oC2) раза.

Резонансная частота продольных колебаний активного элемента 1 определяет верхнюю частоту рабочей полосы частот.

Фронтальная коническая накладка 4 выполнена в виде пластины с коническим переходом от основания малого диаметра, обращенного к активному элементу 1, к основанию большого диаметра, нагруженному на рабочую среду. Резонансная частота изгибных колебаний пластины определяет нижнюю граничную частоту диапазона частот.

Рабочая полоса частот увеличена в (2 3) раза в сравнении с пластиной фиксированного радиуса за счет применения конического перехода.

Внутреннее заполнение 11 объема излучателя жидкостью, например, трансформаторным маслом, играет роль элемента упругой связи в двухрезонансной колебательной системе, образованной фронтальной конической накладкой 4 переменной толщины и стержневым активным элементом 1 с переменной акустической жесткостью.

В излучателе резонансная частота изгибных колебаний фронтальной конической накладки f_p (0,6^oC0,8)f₁, где f₁ частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, при этом рабочие полосы частот связанных резонансов перекрываются, суммарная рабочая полоса частот составляет примерно октаву, а нижняя рабочая частота примерно соответствует четверть-волновому резонансу активного элемента.

Излучатель работает следующим образом.

При подаче рабочего напряжения на активный элемент 1 в нем возникают механические колебания, которые в свою очередь возбуждают колебания в акустически связанной с ним фронтальной конической накладке 4. Основная резонансная частота колебания определяется в основном параметрами фронтальной конической накладки 4, а их добротность невелика, т.к. радиальный размер накладки изменяется в широких пределах; Вторая резонансная частота определяется в основном параметрами активного элемента, жесткость которого уменьшена в (3 4) раза введением гибких пассивных прокладок с соответствующим уменьшением добротности резонанса. При наличии акустической связи, которая обеспечивается внутренним объемом, рабочие полосы частот, соответствующие связанным резонансом, перекрываются, образуя октавную рабочую полосу частот.

Формула изобретения

Широкоимпульсный гидроакустический излучатель, содержащий корпус, 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, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь, отличающийся тем, что набор пьезокерамических шайб разделен гибкими пассивными прокладками на семь секций, толщины которых относятся как 5:2:2:1:1: 1: 1, а толщина каждой прокладки d (0,25 0,3)d₁, где d₁ толщина секции наименьшей толщины, причем к фронтальной конической накладке обращена секция наибольшей толщины, отношение диаметра большего основания к диаметру меньшего основания фронтальной конической накладки в виде усеченного конуса равно 2,0 2,5, резонансная частота фронтальной конической накладки f_рез (0,6 0,8)f₁, где f₁ частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, а соединение фронтальной конической накладки и корпуса излучателя выполнено гибким.

РИСУНКИ

Рисунок 1