Цилиндрический электроакустический преобразователь

 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке низкочастотных излучателей малых размеров, способных работать в широкой полосе частот. Техническим результатом является создание преобразователя, работающего на низких частотах с минимально возможными габаритами для его установки и использования на автономных необитаемых подводных аппаратах. Преобразователь содержит соосно расположенные цилиндрические пьезоэлементы, которые акустически разъединены по торцам, совершающие радикальные колебания и выполненные с попарно встречными разрезами в продольном направлении, жестко связанный с пьезоэлементами согласующий элемент из твердого материала, на внутренней поверхности согласующего элемента выполнена круговая канавка, излучающую цилиндрическую оболочку из акустически мягкого материала с низкой скоростью звука, которая внутренней поверхностью жестко соединена с внешней поверхностью согласующего элемента. Причем внешний радиус излучающей цилиндрической оболочки в 2,5-3 раза больше внешнего радиуса цилиндрических пьезоэлементов, а высота боковой поверхности согласующего элемента, обращенной к цилиндрческой оболочке, в 2,5-3 раза меньше высоты боковой поверхности согласующего элемента, обращенной к цилиндрическим пьезоэлементам. 1 з.п.ф., 2 ил.

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

Известен цилиндрический электроакустический преобразователь, содержащий активный элемент, четвертьволновый согласующий слой и элементы герметизации [1], способный работать в полосе частот вблизи радиального резонанса активного элемента.

Недостатком такого преобразователя являются сравнительно большие размеры при работе на низких частотах, т.к. резонансные размеры преобразователя и согласующего слоя растут с понижением частоты. Недостатком является также малая рабочая полоса частот.

Известен цилиндрический электроакустический преобразователь [2], содержащий соосно расположенные цилиндрические пьезоэлементы, акустически разъединенные по торцам прокладки из звукоизолирующего вещества, и жестко связанный с ними четвертоволновый цилиндрический согласующий элемент из твердого материала с круговой канавкой, расположенной на внутренней его поверхности в плоскости разъединения пьезоэлементов, глубина которой равна 0,15 длины волны звука в согласующем элементе на частоте первого резонанса по высоте пьезоэлементов, и заполненной звукоизолирующим материалом.

Рабочая полоса частот в таком преобразователе расширена за счет формирования участка механоакустической связи высотного и радиального резонансов пьезоэлементов.

Недостатком такого известного преобразователя является то, что для обеспечения его работы на низких частотах требуется увеличение размеров преобразователя, что полностью исключает возможность использования преобразователей данной конструкции на автономных необитаемых подводных аппаратах.

Задачей предлагаемого технического решения является создание преобразователя, работающего на низких частотах, с минимально возможными габаритами для его установки и использования на автономных необитаемых подводных аппаратах.

Поставленная задача решается тем, что цилиндрический электроакустический преобразователь, содержащий соосно расположенные цилиндрические пьезоэлементы, акустически разъединенные по торцам, совершающие радиальные колебания, и жестко связанный с ними согласующий элемент из твердого материала с круговой канавкой, расположенной на внутренней его поверхности в плоскости, лежащей между пьезоэлементами, снабжен излучающей цилиндрической оболочкой из акустически мягкого материала с низкой скоростью звука, внутренняя поверхность которой жестко соединена с внешней поверхностью согласующего элемента, внешней радиус излучающей цилиндрической оболочки в 2,5 - 3 раза больше внешнего радиуса цилиндрических пьезоэлементов, причем цилиндрические пьезоэлементы выполнены с попарно встречными разрезами в продольном направлении, длина которых больше половины высоты пьезоэлемента, а высота боковой поверхности согласующего элемента, обращенной к цилиндрической оболочке в 2,5 - 3,9 меньше высоты боковой поверхности согласующего элемента, обращенной к цилиндрическим пьезоэлементам.

В предлагаемом техническом решении понижение резонансной частоты цилиндрических пьезоэлементов при тех же размерах объясняется значительным уменьшением жесткости цилиндрических пьезоэлементов при сохранении их массы, т.к. края разрезов оказываются свободными от упругих напряжений. В то же время, разрезы, длина которых незначительно больше половины высоты цилиндрических пьезоэлементов, не нарушают целостности пьезоэлемента, в котором сохраняется радиальная мода колебаний, но ее частота в 3-4 раза меньше, чем у сплошного цилиндрического пьезоэлемента без разрезов.

Излучающая цилиндрическая оболочка выполнена из акустически мягкого материала с низкой скоростью звука, например сферопластика. Частота радиального резонанса цилиндрической оболочки в 1,5-2,0 раза меньше, чем у пьезокерамического кольца тех же размеров. Таким образом, в предлагаемом преобразователе связанная акустическая колебательная система, в которой частоты парциальных колебательных систем, т.е. цилиндрических пьезоэлементов с разрезами и излучающей цилиндрической оболочки, понижены без увеличения размеров. Соотношение размеров цилиндрических пьезоэлементов и излучающей цилиндрической оболочки, нагруженной на внешнюю среду, обеспечивает сближение частот парциальных колебаний с образованием рабочей полосы частот за счет акустической связи колебательных подсистем через согласующий элемент.

В сравнении с прототипом в предлагаемом техническом решении осуществлено понижение частоты радиальных колебаний в связанной колебательной системе без увеличения размеров преобразователя, а наличие акустической связи через согласующий элемент позволило сформировать и рабочую полосу частот в окрестности связанных резонансов.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 показан продольный разрез преобразователя, на фиг. 2 выполнение разрезов на цилиндрических пьезоэлементах преобразователя.

Преобразователь содержит соосно расположенные цилиндрические пьезоэлементы 1, которые акустически разделены по торцам, согласующий элемент 2 и цилиндрическую оболочку 3. Согласующий элемент 2 выполнен из твердого материала и жестко связан с пьезоэлементами 1. На внутренней поверхности согласующего элемента 2 в плоскости между пьезоэлементами выполнена круговая канавка 4. Цилиндрическая оболочка 3 выполнена из акустически мягкого материала с низкой скоростью звука, например сферопластика. Внутренняя поверхность оболочки 3 жестко соединена с внешней поверхностью согласующего элемента 2. Высота внешней боковой поверхности согласующего элемента в 2,5 - 3,0 раза меньше высоты внутренней боковой поверхности. Согласующий элемент 2 играет роль элемента связи. Пьезоэлементы 1 выполнены с попарно встречными разрезами 5 в продольном направлении. Длина разрезов 5 больше половины высоты пьезоэлементов 1.

Преобразователь работает следующим образом.

Двухрезонансная колебательная система с рабочей полосой частот f₁-f₂ используется в режиме излучения тонального сигнала, частота которого перестраивается в рабочей полосе частот, либо в режиме излучения импульсного сигнала, спектр которого лежит в рабочей полосе частот f₁-f₂.

В первом случае при возбуждении преобразователя на частоте f₁ частота f₂ возбуждаться не будет, при перестройке частоты возбуждения электрического генератора возбуждаются колебания на любой частоте из рабочего интервала f₁-f₂, который включает, например, и резонансную частоту колебаний излучающей оболочки f₂.

Во втором случае преобразователь возбуждается импульсным сигналом, спектр которого лежит в рабочей полосе частот f₁-f₂, и одновременно излучает все спектральные составляющие сигнала возбуждения с минимальными искажениями, которые определяются в общем случае частотной характеристикой излучателя.

При достаточно сильной акустической связи, которая обеспечивается согласующим элементом, в связанной двухрезонансной колебательной системе образуется рабочая полоса частот в интервале f₁-f₂, в пределах которой все спектральные составляющие импульса возбуждения воспроизводятся с малыми искажениями, а сам он излучается цилиндрической оболочкой, непосредственно нагруженной на рабочую среду, с малыми искажениями.

В силу этого оснащение преобразователя излучающей оболочкой существенно влияет на получение конечного результата - создание преобразователя минимальных размеров, способного работать на низких частотах, например, в диапазоне f₁-f₂, а не только на частоте f₁=(1,5 - 2,0)f₂.

Таким образом обеспечена работа преобразователя на низких частотах без увеличения его размеров, что позволяет установить и использовать преобразователь такой конструкции на подводных аппаратах, где существенную роль играют габаритные характеристики аппаратуры.

Источники информации.

1. Дианов Д.Б. и др. Использование возможностей расширения полосы пропускания цилиндрических пьезокерамических преобразователей. Акустический журнал. Т. 16 N 2, 1970, с. 236-240.

2. А.с. СССР N 504566, B 06 B 1/06, 1973 (прототип).

Формула изобретения

1. Цилиндрический электроакустический преобразователь, содержащий соосно расположенные цилиндрические пьезоэлементы, акустически разъединенные по торцам, совершающие радиальные колебания, и жестко связанный с ними согласующий элемент из твердого материала с круговой канавкой, расположенной на внутренней его поверхности в плоскости, лежащей между пьезоэлементами, отличающийся тем, что преобразователь снабжен излучающей цилиндрической оболочкой из акустически мягкого материала с низкой скоростью звука, внутренняя поверхность которой жестко соединена с внешней поверхностью согласующего элемента, внешний радиус излучающей цилиндрической оболочки в 2,5 - 3,0 раза больше внешнего радиуса цилиндрических пьезоэлементов, причем цилиндрические пьезоэлементы выполнены с попарно встречными разрезами в продольном направлении, длина которых больше половины высоты пьезоэлемента, а высота боковой поверхности согласующего элемента, обращенной к цилиндрической оболочке, в 2,5 - 3,0 раза меньше высоты боковой поверхности согласующего элемента, обращенной к цилиндрическим пьезоэлементам.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что излучающая цилиндрическая оболочка выполнена из сферопластика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2