Гидроакустическая многоэлементная антенна и пьезоэлектрический стержневой преобразователь для такой антенны

 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при проектировании и разработке гидроакустической аппаратуры. Для зондирования морского дна и исследования океанского шельфа. Антенна содержит заполненный электроизоляционной жидкостью корпус с размещенными в нем пьезоэлектрическими стержневыми преобразователями, механически связанными с общей накладкой. Экран расположен с тыльной стороны антенны. Пьезоэлектрические стержневые преобразователи снабжены двумя пассивными накладками стаканообразной формы. Зазор между обращенными друг к другу краями стенок передней и тыльной стаканообразных накладок составляет четверть длины волны в электроизоляционной жидкости на резонансной частоте антенны. На наружные боковые поверхности стаканообразных накладок надеты с натягом упругие манжеты из полимерного материала. Пьезоэлектрический стержневой преобразователь для антенны содержит пьезоактивный армированный элемент с передней и тыльной накладками. Тыльная накладка имеет стаканообразную форму, передняя накладка также выполнена в форме стакана. Края стенок обеих накладок обращены друг к другу, при этом в стенках накладок по всей их высоте сделаны узкие сквозные прорези, расположенные по окружности поперечного сечения стенок накладок, с неравномерным шагом и заполненные с тугой посадкой полимерным материалом. На боковые поверхности стаканообразных накладок надеты с натягом упругие манжеты из полимерного материла. В результате частотная характеристика антенны не имеет искажений, вызванных нежелательными резонансами колебательной системы, а также уменьшены размеры антенны. 2 с. п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при проектировании и разработке гидроакустической аппаратуры для зондирования морского дна и исследования океанского шельфа.

При разработке гидроакустической аппаратуры важное место занимает вопрос минимизации габаритов создаваемых приборов с обеспечением высокого качества их рабочих характеристик, которые не должны зависеть от воздействия наружного давления со стороны окружающей среды. С этой целью корпус прибора обычно заполняют электроизоляционной жидкостью, из-за чего приходится учитывать влияние заполнения прибора жидкостью на его рабочие характеристики [1].

В настоящее время известны конструкции компактных гидроакустических антенн с общей герметизацией входящих в них пьезоэлектрических преобразователей, установленных внутри корпуса на общей накладке с передней стороны антенны [2] . Такие антенны находят применение преимущественно в диапазоне ультразвуковых колебаний. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция антенны, описанная в [1]-см. стр. 99, рис. 6.2,а.

Гидроакустическая многоэлементная антенна-прототип содержит заполненный электроизоляционной жидкостью корпус, пьезоэлектрические стержневые преобразователи, механически закрепленные внутри корпуса на общей накладке с передней стороны антенны, и металлический экран с ее тыльной стороны, размещенный внутри корпуса. К достоинствам антенны-прототипа относятся простота и компактность конструкции при высокой эффективности действия.

Недостатком ее является то, что такую конструкцию можно применять лишь на высоких частотах, а при переходе в диапазон низких звуковых частот очень быстро возрастают габариты и масса устройства.

Антенна-прототип выгодно отличается от соответствующего аналога [2] тем, что в ее конструкции уже предусмотрено заполнение полости корпуса электроизоляционной жидкостью, что является признаком более близкого соответствия ее реальным конструкциям создаваемой аппаратуры. В то же время она имеет и недостаток, ухудшающий частотные характеристики приборов и ограничивающий возможности их использования в широкополосных устройствах: отдельные участки внутренней полости заполненного жидкостью корпуса антенны-прототипа - в частности, каналы жидкости между соседними преобразователями - элементами антенны способны возбуждаться на своих собственных резонансных частотах, что может приводить к искажениям частотных характеристик антенны.

Известны также конструкции стержневых преобразователей, в которых для сокращения продольного размера используют переднюю и тыльную пассивные накладки [1,3] . Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является конструкция пьезоэлектрического стержневого преобразователя, описанная в [1] - см. стр. 98, рис. 6.1,а.

Пьезоэлектрический стержневой преобразователь-прототип содержит пьезоактивный элемент, зажатый металлической армирующей шпилькой между двумя пассивными накладками, из которых одна - тыльная - имеет стаканообразную форму, при этом края стенки стакана обращены в сторону передней излучающей накладки. Достоинства этого преобразователя состоят в том, что его конструкция компактна и эффективна по достигнутым значениям параметров антенны.

Недостатком конструкции преобразователя-прототипа является возможность возбуждения стенки стаканообразной накладки на своей собственной резонансной частоте колебаний - так называемый колокольный эффект, что приводит обычно к искажению частотной характеристики преобразователя. Кроме того, в такой конструкции не полностью использованы возможности сокращения продольного размера преобразователя.

Задачей изобретения является создание многоэлементной гидроакустической антенны с уменьшенными размерами в направлении, нормальном поверхности апертуры, и с частотной характеристикой, не имеющей искажений, вызванных нежелательными резонансами колебательной системы.

Для решения поставленной задачи в гидроакустической многоэлементной антенне, содержащей корпус, заполненный электроизоляционной жидкостью, с размещенными в нем пьезоэлектрическими стержневыми преобразователями, механически связанными с общей накладкой, и экран, расположенный с тыльной стороны антенны, введены новые признаки, а именно стержневые преобразователи снабжены двумя пассивными накладками стаканообразной формы, и зазор между обращенными друг к другу краями стенок передней и тыльной стаканообразных накладок каждого преобразователя составляет четверть длины волны в электроизоляционной жидкости на резонансной частоте антенны, а наружные боковые поверхности стаканообразных накладок покрыты полимерным материалом.

Пьезоэлектрический стержневой преобразователь для многоэлементной антенны содержит пьезоактивный армированный элемент, при этом тыльная накладка имеет стаканообразную форму и механический контакт с пьезоактивным элементом на поверхности дна ее внутренней полости.

Новым в заявляемом преобразователе является то, что передняя накладка преобразователя также выполнена в форме стакана и края стенок обеих стаканообразных накладок обращены друг к другу, при этом по всей высоте стенок стаканообразных накладок выполнены узкие продольные сквозные прорези, расположенные по окружности поперечного сечения стенок накладок с неравномерным шагом и заполненные с тугой посадкой полимерным материалом, а на наружные боковые поверхности стаканообразных накладок с натягом надеты упругие манжеты из полимерного материала.

Использование стаканообразных накладок позволяет существенно сократить высоту преобразователей, следовательно, и высоту антенны - ее размер в направлении, перпендикулярном поверхности апертуры. При этом выполнение зазора между краями стенок накладок равным четверти длины волны в электроизоляционной жидкости на рабочей частоте обеспечивает отсутствие прямой акустической связи между накладками и предупреждает возникновение паразитных резонансов в объеме электроизоляционной жидкости, заполняющей полость корпуса антенны, тогда как покрытие наружных боковых поверхностей накладок полимерным материалом препятствует распространению звуковых волн в пространстве между преобразователями, как в каналах с акустически мягкими стенками, что также предотвращает появление дополнительных резонансов в частотной характеристике антенны. Таким образом, предложенные конструктивные меры дают возможность улучшить частотные характеристики антенны и сократить ее габариты.

Наличие прорезей в стенках стаканообразных накладок, выполненных с неравномерным шагом по окружности поперечного сечения стенки, позволяет почти полностью избежать возникновения нежелательных собственных резонансов стенок накладок. В то же время тугое заполнение прорезей полимерным материалом и надетые с натягом полимерные манжеты обеспечивают затухание этих паразитных колебаний, возникающих и при наличии прорезей, но с меньшей амплитудой. Таким образом, предложенная конструкция дает возможность устранить нежелательные резонансы колебательных систем преобразователя и антенны, а также уменьшить их геометрические размеры.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой показана предложенная конструкция многоэлементной антенны, и фиг.2, на которой представлена конструкция пьезоэлектрического стержневого преобразователя для этой антенны.

Многоэлементная антенна (фиг. 1) содержит заполненный электроизоляционной жидкостью корпус 1, передняя часть которого 2, отделенная от внешней среды согласующим устройством 3, является общей накладкой для группы пьезоэлектрических стержневых преобразователей 4 со стаканообразными накладками 5, на боковые поверхности которых надеты с натягом манжеты 6 из полимерного материала; на тыльной поверхности корпуса 1 установлен экран 7.

Пьезоэлектрический стержневой преобразователь (фиг.2) содержит пьезоактивный элемент 8 и армирующую шпильку 9, стягивающую стаканообразные накладки 5 с полимерным покрытием на их боковой поверхности в виде упругой манжеты 6, надетой на них с натягом. На фиг.2 показано также поперечное сечение пьезоэлектрического стержневого преобразователя (вид по AA), на котором видны места разреза стенок стаканообразных накладок - прорези 10, заполненные с тугой посадкой полимерным материалом - в данном примере резиной, что в совокупности с резиновыми манжетами 6, надетыми с натягом на боковые поверхности накладок, обеспечивает эффективное подавление нежелательных резонансных явлений в колебательных системах преобразователя и антенны.

Работа заявленного устройства - гидроакустической многоэлементной антенны с пьезоэлектрическими стержневыми преобразователями - происходит следующим образом. На пьезоактивные элементы преобразователей, закрепленных на общей накладке, через электрические выводы подается электрическое напряжение сигнала, необходимое для возбуждения механических колебаний, обеспечивающих излучение звуковых волн с излучающей поверхности антенны в окружающую среду. При работе антенны в режиме приема на ее электрических выводах регистрируется сигнал, появляющийся при вынужденных механических колебаниях, обусловленных воздействием звуковых волн, падающих на поверхность общей накладки антенны.

Как при работе антенны в режиме излучения, так и в режиме приема и электроизоляционная жидкость участвует в процессе колебаний вследствие того, что она находится в акустическом контакте с разными частями колебательной системы, и благодаря предложенным конструктивным мерам, ослабляющим эту связь, удается почти полностью подавить возникающие в объеме жидкости в полости корпуса нежелательные резонансные явления и устранить их влияние на частотную характеристику антенны. В то же время при механических продольных колебаниях пьезоэлектрических стержневых преобразователей, входящих в состав антенны, также могут возникать нежелательные паразитные резонансы в рабочей полосе частот антенны из-за влияния поперечных колебаний стенок стаканообразных накладок, которые в результате предложенных в настоящей заявке технических решений можно уменьшить или вообще исключить.

Литература 1. Подводные электроакустические преобразователи. (Расчет и проектирование): Справочник/ В. В. Богородский, Л.А.Зубарев, Е.А.Корепин, В.И.Якушев. - Л., Судостроение, 1983. - 248 с.

2. Пат. заявка Японии 5-11710. Подводное широкополосное приемно-передающее устройство. МПК H 04 R 1/44, 17/00, G 01 H 3Ю/0. Публ. 16.02.93.

3. Пат. США 3.974.474. Подводный электроакустический преобразователь с накладкой, развитой внутрь. Публ. 10.08.76.

Формула изобретения

1. Гидроакустическая многоэлементная антенна, содержащая заполненный электроизоляционной жидкостью корпус с размещенными в нем пьезоэлектрическими стержневыми преобразователями, механически связанными с общей накладкой, и экран, расположенный с тыльной стороны антенны, отличающаяся тем, что пьезоэлектрические стержневые преобразователи снабжены двумя пассивными накладками стаканообразной формы и зазор между обращенными друг к другу краями стенок передней и тыльной стаканообразных накладок составляет четверть длины волны в электроизоляционной жидкости на резонансной частоте антенны, а на наружные боковые поверхности стаканообразных накладок надеты с натягом упругие манжеты из полимерного материала.

2. Пьезоэлектрический стержневой преобразователь для гидроакустической многоэлементной антенны, содержащий пьезоактивный армированный элемент с передней и тыльной накладками, причем тыльная накладка имеет стаканообразную форму, отличающийся тем, что передняя накладка также выполнена в форме стакана и края стенок обеих стаканообразных накладок обращены друг к другу, при этом в стенках стаканообразных накладок по всей их высоте сделаны узкие сквозные прорези, расположенные по окружности поперечного сечения стенок накладок с неравномерным шагом и заполненные с тугой посадкой полимерным материалом, а на боковые поверхности стаканообразных накладок надеты с натягом упругие манжеты из полимерного материла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2