Гидроакустический преобразователь

 

Изобретение относится к конструированию гидроакустической аппаратуры, в частности направленных преобразователей стержневого типа, работающих в широкой полосе частот в приемном режиме при высоких гидростатических давлениях. Гидроакустический преобразователь содержит пьезокерамический стержневой элемент с двумя накладками, герметично размещенный в заполненном газом прочном корпусе, акустически развязанный от него. Замкнутый объем, заключенный между свободной торцевой поверхностью тыльной накладки, дном и тыльной частью стенок корпуса, заполнен слоем резиноподобного полимера. Передняя накладка имеет рабочую поверхность, по площади близкую к площади поперечного сечения пьезокерамического стержневого элемента, и выступающий фланец на стороне, обращенной к пьезокерамическому элементу. Фиксация положения пьезокерамического стержневого элемента с накладками относительно боковой поверхности корпуса выполнена в виде кольцевых резиновых уплотнений на боковых поверхностях обеих накладок. При этом у передней накладки уплотнение заключено между ее фланцем и фланцем металлического кольца, которое жестко скреплено с передней частью корпуса. Таким образом, получен преобразователь, способный работать при повышенных гидростатических давлениях с сохранением параметров в широком диапазоне частот и давлений. 2 ил.

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности направленных преобразователей стержневого типа, работающих в широкой полосе частот в приемном режиме при высоких гидростатических давлениях.

Известны конструкции стержневых преобразователей, формирующих однонаправленную характеристику и работающих при высоких гидростатических давлениях. (см. Справочник "Подводные электроакустические преобразователи". Л. 1983. стр. 93, рис. 6.1.б). Преобразователь на рис. 6.1.б) выполнен в виде пьезокерамического стержня с двумя металлическими накладками (передней и тыльной), размещен в герметичном корпусе, заполненном электроизоляционной жидкостью и имеющем компенсатор гидростатического давления.

В такой конструкции на пьезокерамический элемент при погружении на большую глубину действует всестороннее гидростатическое давление, равное давлению на этой глубине. При этом активные свойства пьезокерамики остаются неизменными.

Однонаправленная характеристика обеспечивается асимметрией конструкции, т. е. тем, что масса передней накладки значительно меньше массы тыльной накладки. Недостатком конструкции является наличие дополнительных резонансов объема жидкости внутри преобразователя, которые искажают частотную характеристику и характеристику направленности преобразователя, что особенно негативно сказывается при работе в широкой полосе частот.

Известно (Патент Франции N 2.498.867 по кл. H 04 R 17/00), что для исключения влияния жидкого заполнителя может быть использована воздушная компенсация, однако она непригодна при высоких гидростатических давлениях в силу большой сжимаемости воздуха.

Известна конструкция (Справочник рис. 6.3.б) стержневого пьезокерамического преобразователя, герметизация которого осуществляется путем размещения пьезоэлемента в полимерной оболочке. При этом также обеспечивается всестороннее давление на пьезокерамику, однако рабочие давления ограничены свойствами мягкого экрана, размещенного у тыльной поверхности пьезоэлемента и, как правило, не превосходят 30 атм.

Большое распространение получили так называемые разгруженные конструкции, в которых гидростатическое давление не действует на пьезокерамический элемент, а воспринимается корпусом и развязкой, находящейся, как правило, у передней накладки.

В патенте США N 4.219.889 для улучшения качества развязки и повышения допустимого рабочего давления предлагается выполнять развязку между корпусом и передней накладкой не из резины, как обычно, а из пачки спрессованных листов бумаги.

Таким образом, удается обеспечить работу при давлениях до 70 атм.

В патенте России N 2090013 по кл. H 04 R 17/00 предлагается крепление колебательной системы к корпусу производить "за нулевую линию". При этом существенно уменьшаются усилия, действующие на развязку, однако этот способ эффективен в узком диапазоне частот, при этом конструкция получается достаточно сложной.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является стержневой преобразователь, приведенный в упоминаемом выше Справочнике "Подводные электроакустические преобразователи" на стр.98 рис. 6.1.а).

В этом преобразователе пьезокерамический стержневой элемент с двумя накладками размещен в прочном корпусе, заполненном газом, и развязан от него с помощью резинового уплотнения, которое крепится путем вулканизации. Преобразователь может эффективно работать в режиме приема в широком диапазоне частот, однако, рабочие давления ограничены прочностью развязки, находящейся под воздействием одноосного сжатия по величине, существенно превышающей величину наружного гидростатического давления.

Диапазон рабочих давлений такого преобразователя не превышает 50 атм.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции гидроакустического преобразователя, способного работать при повышенных гидростатических давлениях с сохранением параметров в широком диапазоне частот и гидростатических давлений.

Для решения поставленной задачи в преобразователь, содержащий пьезокерамический стержневой элемент с двумя накладками, герметично размещенный в заполненном газом прочном корпусе и акустически развязанный от него, внесены следующие новые признаки: замкнутый объем, заключенный между свободной торцевой поверхностно тыльной накладки, дном и тыльной частью стенок корпуса, заполнен слоем резиноподобного полимера, передняя накладка имеет рабочую поверхность по площади, близкую к площади поперечного сечения пьезокерамического стержневого элемента, и выступающий фланец на стороне, обращенной к пьезокерамическому элементу, а фиксация положения стержневого элемента с накладками относительно боковой поверхности корпуса выполнена в виде кольцевых резиновых уплотнений на боковых поверхностях обеих накладок, при этом у передней накладки уплотнение заключено между ее фланцем и фланцем металлического кольца, которое жестко скреплено с передней частью корпуса.

В конструкции предлагаемого преобразователя, как и в конструкции прототипа, внутренняя часть корпуса заполнена воздухом (газом), вследствие чего отсутствуют паразитные резонансы, имеющие место в конструкциях с жидким заполнением, и частотные характеристики, так же как и характеристики направленности, реализуются без искажений в широком диапазоне частот.

При этом преобразователь предлагаемой конструкции способен нормально работать при значительно больших давлениях, чем прототип, практически не изменяя своих характеристик. Это обеспечивается тем, что гидростатическое давление в предлагаемом преобразователи не трансформируется по величине и воздействует через пьезокерамический стержневой элемент с накладками на слой полимера, заключенного в замкнутый объем. В результате пьезокерамика находится под действием осевых сжимающих напряжений по величине равных гидростатическому давлению, а слой полимера испытывает напряжения всестороннего сжатия.

Известно (Справочник, стр. 159), что прочность пьезокерамики при статическом сжатии превышает 3000 кг/см², а современные составы пьезокерамики способны выдерживать осевые сжатия до 600 кг/см² без существенного ухудшения электроакустических параметров (там же, стр. 166-168).

Очевидно также, что резиноподобный полимер, находясь в состоянии всестороннего сжатия в замкнутом объеме, не будет претерпевать существенных деформаций, а следовательно, и не будет менять под давлением своих отражающих, экранирующих и развязывающих свойств.

Благодаря этому преобразователь предлагаемой конструкции может работать без заметного изменения своих характеристик по крайней мере до давлений 600 кг/см², что соответствует глубинам погружения до 6000 м.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 приведена примерная конструкция предлагаемого преобразователя, а на фиг. 2 - зависимость чувствительности преобразователя в режиме приема от величины осевого сжатия.

Пьезокерамический стержень 1 (фиг. 1) из дисков с выведенными электродами 2 жестко соединен (склеен) с передней 3 и тыльной 4 металлическими накладками и размещен в корпусе 5. Тыльная накладка 4 соединяется с корпусом 5 через резиновый экран 6.

Передняя накладка 3 зафиксирована - относительно корпуса 5 с помощью металлического кольца 7, жестко соединенного (склеенного) с передней частью корпуса 5. Между фланцем 8 передней накладки 3 и фланцем 9 кольца 7 расположено резиновое кольцевое уплотнение 10.

Аналогичное уплотнение 11 размещается между тыльной накладкой 4 и корпусом 5 в пазу, расположенном на боковой поверхности накладки 4. Кольцевые уплотнения 10 и 11 осуществляют одновременно и фиксацию положения колебательной системы относительно боковой поверхности корпуса 5 и развязку этой системы относительно корпуса. Со стороны передней накладки расположен слой герметизирующей резины 12.

С тыльной стороны корпуса имеется патрубок 13 для герметичного соединения с кабелем и фланец 14 для крепления преобразователя к несущим конструкциям при установке на объект. Дно корпуса 15 выполнено достаточно массивным.

В корпусе имеется отверстие 16 для размещения проводов 17, соединенных с электродами 2 пьезокерамического стержня.

Наличие в конструкции преобразователя металлического кольца 7 с фланцем 9, так же как и присутствие аналогичного фланца 8 у передней накладки 3 объясняется стремлением уменьшить величину давления, воздействующего на пьезокерамику, путем уменьшения площади приемной поверхности передней накладки до площади поперечного сечения пьезокерамического стержня.

При этом, однако, необходимо сохранить малый зазор между корпусом и приемной поверхностью накладки, чтобы предотвратить затекание резины в этот зазор при действии внешнего давления. Его величина должна быть не более 0,2 мм. Естественно, что в такой зазор при сборке невозможно пропустить элементы электрического монтажа 2, расположенные на наружной поверхности пьезокерамического стержня 1. Поэтому зазор между корпусом 5 и пьезоэлементом 1 выполняется достаточно большим, а после размещения в корпусе колебательной системы преобразователя зазор "закрывается" металлическим кольцом 7, жестко присоединяемым к корпусу 5, например, путем склейки.

Толщина резиноподобного слоя 5 у тыльной накладки выбирается равной четверти длины волны в материале слоя на средних частотах рабочего диапазона. Известно, что такой слой в сочетании с массой дна корпуса обладает высокими экранирующими свойствами. На верхних частотах диапазона слой играет роль обычной развязки от корпуса, а на нижних частотах экранировка тыла обеспечивается достаточно большой массой дна 15 и всего корпуса, которая как бы присоединяется к массе тыльной накладки 1 преобразователя, образуя асимметричную колебательную систему, не требуя дополнительной экранировки.

Таким образом предложенная конструкция обеспечивает формирование требуемой ХН в широком диапазоне частот и гидротических давлений. (В.Е. Глазанов. "Экранирование гидроакустических антенн" 1986 г., стр.29).

Работа преобразователя в режиме приема осуществляется следующим образом: давление гидроакустического сигнала через герметизирующую резину 12 воздействует на переднюю накладку 3 колебательной системы и вызывает механические напряжения в пьезокерамическом элементе 1, которые преобразуются в электрические сигналы на его электродах 2, передаваемые по проводам 17 на кабель и приборы тракта обработки.

Благодаря хорошей развязке накладок 3 и 4 от корпуса 5 и наличию воздушного зазора (экрана) между пьезоэлементом и стенками корпуса 5 преобразователь формирует характеристики направленности правильной формы во всем диапазоне рабочих частот.

Малый уровень тыльных лепестков обеспечивается наличием экрана 6, параметры которого не зависят от величины гидростатического давления. Гидростатическое давление передается на пьезоэлемент 1, воздействуя на переднюю накладку 3 и на дно корпуса 15.

Из графика на фиг. 2 видно, что при напряжениях в пьезокерамике до 600 кг/см² параметры пьезокерамики, определяющие чувствительность в приеме изменяются мало.

На фиг. 2 приведена зависимость для состава ЦТБСЗ, использованного в описываемом преобразователе.

При площади передней накладки 3, близкой к площади пьезоэлемента 1, напряжение 600 кг/см² соответствует глубине погружения 6000 м.

Экспериментальные исследования макета преобразователя в том числе при воздействии давления до 600 атм подтвердили правильность рассмотренных выше конструктивных решений.

Таким образом, предложенная конструкция преобразователя обеспечивает требуемый положительный эффект.

Формула изобретения

Гидроакустический преобразователь, содержащий пьезокерамический стержневой элемент с двумя накладками, герметично размещенный в заполненном газом прочном корпусе и акустически развязанный от него, отличающийся тем, что замкнутый объем, заключенный между свободной торцевой поверхностью тыльной накладки, дном и тыльной частью стенок корпуса, заполнен слоем резиноподобного полимера, передняя накладка имеет рабочую поверхность, по площади близкую к площади поперечного сечения пьезокерамического стержневого элемента, и выступающий фланец на стороне, обращенной к пьезокерамическому элементу, а фиксация положения пьезокерамического стержневого элемента с накладками относительно боковой поверхности корпуса выполнена в виде кольцевых резиновых уплотнений на боковых поверхностях обеих накладок, при этом у передней накладки уплотнение заключено между ее фланцем и фланцем металлического кольца, которое жестко скреплено с передней частью корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2