Низкочастотный возбудитель гидроакустических колебаний

Изобретение относится к акустической технике низкочастотного возбуждения гидроакустических колебаний. Устройство может быть использовано как источник звуковой волны в гидроакустических и сейсмических измерениях посредством акустического воздействия на окружающую его водную среду. Сущность изобретения: устройство содержит герметичный корпус, электромеханический преобразователь на основе пьезоэффекта и рычажный механизм. Конструкция корпуса содержит подвижные места - пластины, расположенные взаимно противоположно и соединяемые с неподвижным основанием уплотнением сильфонного типа. Каждая пластина имеет свой блок рычажных механизмов, состоящий из взаимно повернутых на 180° рычагов по оси симметрии конструкции. Рычаги крепятся между неподвижной и подвижными частями корпуса, упруго шарнирно соединяясь с ними торцами. Электромеханический преобразователь, воздействуя на срединные части рычагов, приводит в движение пластины. Технический результат - разработка конструкции, обеспечивающей меньшую ее стоимость при лучших эксплуатационных качествах. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к акустической технике, а именно к технике генерирования гидроакустических колебаний с помощью мембран или подобных элементов, и может быть использовано в гидроакустике, гидрологии и сейсморазведке.

Известен возбудитель гидроакустических колебаний посредством мембран, приводимых в колебательный режим с помощью электромагнита (1). Недостатком таких устройств является обязательное наличие стабильного воздушного зазора в конструкции электромагнита. А это приводит к необходимости постоянного контроля за давлением во внешней среде и к дополнительной гидростатической компенсации конструкции возбудителя гидроакустических колебаний при его эксплуатации на разных глубинах.

Также известны акустические возбудители, состоящие из стержневого набора пьезокерамических шайб (2) и не требующие дополнительной гидростатической компенсации. Такие конструкции, работающие в низкочастотной части звукового диапазона, имеют большие размеры (длина до 5 метров) и соответственно большой вес, что приводит к высокой стоимости изделия и сложности его эксплуатации.

Частично эти недостатки устранены в конструкции низкочастотного возбудителя, использующего изгибно-продольные колебания боковой поверхности корпуса возбудителя, соединенного со стержневым пьезокерамическим преобразователем, выполненным в виде набора пьезокерамических шайб, соединенных торцами, на которые нанесены электроды (3). Возбудитель гидроакустических колебаний такой конструкции имеет малые габариты и вес. Эта известная конструкция низкочастотного возбудителя выбрана в качестве прототипа.

Основным недостатком конструкции возбудителя прототипа является требование обязательной гидростатической компенсации при любых глубинах погружения и технологические сложности его изготовления. Кроме того, большая амплитуда колебаний всего корпуса возбудителя приводит к пониженной надежности устройства в целом и к необходимости применения специальных мер для сальников ввода электропитания и выбора места внешнего крепления к корпусу.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка конструкции возбудителя гидроакустических колебаний, обеспечивающей меньшую ее стоимость при лучших эксплуатационных качествах, таких как отсутствие требования обязательной гидростатической компенсации и надежность работы.

Технический результат в разработанной конструкции низкочастотного возбудителя гидроакустических колебаний так же, как и в конструкции возбудителя прототипа, достигается за счет того, что он содержит стержневой пьезокерамический преобразователь, расположенный в жестко-упругом корпусе и выполненный в виде набора пьезокерамических шайб, соединенных торцами, на которые нанесены электроды.

Новым в разработанной конструкции низкочастотного возбудителя является то, что жестко-упругий корпус состоит из неподвижной жесткой цилиндрической части и двух подвижных торцевых дисков, соединенных с упомянутой цилиндрической частью посредством упругих герморазвязок. При этом каждый из двух подвижных торцевых дисков упруго соединен системой балок, содержащей упругие элементы, как с соответствующим торцом стержневого пьезокерамического преобразователя, так и с неподвижной жесткой цилиндрической частью корпуса.

В первом частном случае реализации конструкции низкочастотного возбудителя гидроакустических колебаний система балок, содержащая упругие элементы и служащая для упругого соединения каждого из подвижных торцевых дисков с соответствующим торцом стержневого пьезокерамического преобразователя, выполнена в виде единой металлической конструкции, содержащей плоское кольцо, совпадающее по наружному диаметру с диаметром подвижного торцевого диска и жестко соединенное, по крайней мере, с двумя рычагами, повернутыми относительно друг друга на 180°. Точка опоры каждого из рычагов упруго закреплена посредством упругого элемента на опорных стойках неподвижной жесткой цилиндрической части корпуса, а срединная точка каждого рычага упруго соединена посредством упругого элемента с ближайшим от него торцом стержневого пьезокерамического преобразователя.

Во втором частном случае реализации конструкции низкочастотного возбудителя гидроакустических колебаний плоское кольцо, входящее в систему балок, жестко соединено с тремя рычагами, средний из которых развернут на 180° относительно двух крайних рычагов по оси симметрии стержневого пьезокерамического преобразователя, а упругие герморазвязки выполнены в виде сильфонов.

Разработанная конструкция низкочастотного возбудителя гидроакустических колебаний позволяет в меньших количествах использовать дорогой пьезокерамический материал и повысить надежность эксплуатации устройства за счет более мягких условий работы стержневого пьезокерамического преобразователя, упруго соединенного системой балок, включающей в себя рычаги, с подвижными торцевыми дисками. Перераспределение нагрузки колебательных движений стержневого пьезокерамического преобразователя рычагами позволяет сократить его длину, а режим работы стержневого пьезокерамического преобразователя в этой конструкции, использующий только напряжения растяжения-сжатия, позволяет уменьшить и его диаметр. Поэтому конструкция имеет лучшие массогабаритные и стоимостные показатели по сравнению с прототипом, при этом обеспечивается его работа без дополнительной гидростатической компенсации.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дана схема предлагаемой конструкции низкочастотного возбудителя гидроакустических колебаний в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг.2 дана схема предлагаемой конструкции низкочастотного возбудителя гидроакустических колебаний в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.3 представлена конструкция стержневого пьезокерамического преобразователя.

На фиг.4 представлен внешний вид рабочего макета низкочастотного возбудителя гидроакустических колебаний.

Низкочастотный возбудитель гидроакустических колебаний, изготовленный в соответствии с п.1 формулы изобретения и представленный на фиг.1, состоит из стержневого пьезокерамического преобразователя 1, герметичного жестко-упругого корпуса, состоящего из неподвижной жесткой цилиндрической части 6 и двух подвижных торцевых дисков 2, соединенных с упомянутой цилиндрической частью 6 посредством упругих герморазвязок 7. При этом каждый из двух подвижных торцевых дисков 2 упруго соединен системой балок 3 и 4, содержащей также упругие элементы 5, как с соответствующим торцом стержневого пьезокерамического преобразователя 1, так и с неподвижной жесткой цилиндрической частью корпуса 6.

В первом частном случае изготовления в соответствии с п.2 формулы низкочастотный возбудитель гидроакустических колебаний, представленный на фиг.1, включает в себя систему балок, выполненную в виде единой металлической конструкции и содержащую плоское кольцо 4, жестко соединенное, по крайней мере, с двумя рычагами 3, повернутыми относительно друг друга на 180°. Точка опоры каждого из рычагов 3 закреплена посредством упругого элемента 5 на опорных стойках 10 неподвижной жесткой цилиндрической части 6 корпуса. Срединная точка каждого рычага 3 соединена посредством упругого элемента 5 с ближайшим от него торцом стержневого пьезокерамического преобразователя 1.

Во втором частном случае изготовления в соответствии с п.2 формулы низкочастотный возбудитель гидроакустических колебаний, представленный на фиг.2, включает в себя систему балок, состоящую из плоского кольца 4, жестко соединенного с тремя рычагами 3, средний из которых развернут на 180° относительно двух крайних рычагов по оси симметрии стержневого пьезокерамического преобразователя 1, а упругие герморазвязки 7 выполнены в виде сильфонов.

Стержневой пьезокерамический преобразователь, показанный на фиг.3, состоит из набора пьезокерамических шайб 11, соединенных торцами, на которые нанесены электроды 12. В конструкции используется продольный пьезоэффект керамики, поляризованной вдоль оси стержневого пьезокерамического преобразователя 1, причем смежные пьезокерамические шайбы 11 имеют противоположную ориентацию поляризации 15. Одноименные электроды 12, учитывающие поляризацию шайб 11, объединены в две контактные группы и подключены к кабелю 8 внешнего электропитания. Частота излучения гидроакустических колебаний возбудителя совпадает с частотой работы стержневого пьезокерамического преобразователя 1 и определяется вынуждающей частотой электропитания. Размеры стержневого пьезокерамического преобразователя 1 рассчитываются на конструктивно-минимальные габариты, учитывая максимально допустимую механическую нагрузку наиболее тяжелых режимов работы в заданной полосе частот. Торцы стержневого пьезокерамического преобразователя 1 электрически изолированы от корпуса возбудителя посредством изолирующих прокладок 16.

Низкочастотный возбудитель гидроакустических колебаний, изготовленный в соответствии с п.1 формулы и представленный на фиг.1, работает следующим образом.

С внешнего электрогенератора (на чертеже не показан) по кабелю 8 электропитания переменное напряжение прикладывается к стержневому пьезокерамическому преобразователю 1. Как показано на фиг.3, кабель 8 электропитания через кабельное подключение 14 соединен с двумя группами электродов 13. Каждая группа электродов 13 объединяет только одноименные полюсы пьезокерамических шайб 11. Внешнее напряжение приводит к деформации пьезокерамических шайб 11 и всего стержневого пьезокерамического преобразователя 1, причем частота его колебаний совпадает с частотой подводимого переменного напряжения. Колебательные движения стержневого пьезокерамического преобразователя 1 передаются подвижным торцовым дискам 2 через систему балок 3, 4, содержащую рычаги и упругие элементы, причем малые перемещения торцов стержневого пьезокерамического преобразователя 1 преобразуются с помощью системы рычагов в большие перемещения подвижных торцовых дисков 2 (соотношение перемещений зависит известным образом от соотношения плеч рычагов), данная конструкция с использованием системы балок позволяет возбуждать во внешней среде акустическую частоту более коротким стержневым п/п 1, чем в прототипе.

Система балок включает рычаги 3, опирающиеся своей точкой опоры на опорные стойки 10, малое плечо рычага образовано между точкой опоры и торцом пьезокерамического п/п 1 через упругий элемент 5, а большое плечо - с балкой в виде плоского кольца 4. Воздействие внешнего избыточного давления на корпус возбудителя приводит к его деформации, выражающейся сближением подвижных торцевых дисков. Через рычаг 3 сила внешнего давления еще более сжимает пьезокерамический п/п 1 в отличие от прототипа, где она его растягивает. Такое сжатие улучшает условия работы пьезокерамического п/п 1 и позволяет устройству в целом работать без гидростатической компенсации и в более мягких режимах, чем прототип, т.е. позволяет решить поставленную задачу.

Апробирование рабочего макета фиг.4 низкочастотного возбудителя гидроакустических колебаний произведено в экспериментальном бассейне ИПФ РАН.

Источники информации

1. №93058049, Реферат.

2. RU 2164829 С1, 10.04.2001.

3. Акустические подводные низкочастотные излучатели А.В.Римский-Корсаков и др. - Ленинград, «Судостроение», 1984 г., стр.129-131.

1. Низкочастотный возбудитель гидроакустических колебаний, содержащий стержневой пьезокерамический преобразователь, расположенный в жестко-упругом корпусе и выполненный в виде набора пьезокерамических шайб, соединенных торцами, на которые нанесены электроды, отличающийся тем, что жестко-упругий корпус состоит из неподвижной жесткой цилиндрической части и двух подвижных торцевых дисков, соединенных с упомянутой цилиндрической частью посредством упругих герморазвязок, при этом каждый из двух подвижных торцевых дисков упруго соединен системой балок, содержащей упругие элементы, как с соответствующим торцом стержневого пьезокерамического преобразователя, так и с неподвижной жесткой цилиндрической частью корпуса.

2. Низкочастотный возбудитель гидроакустических колебаний по п.1, отличающийся тем, что система балок, содержащая упругие элементы и служащая для упругого соединения каждого из подвижных торцевых дисков с соответствующим торцом стержневого пьезокерамического преобразователя, выполнена в виде единой металлической конструкции, содержащей плоское кольцо, совпадающее по наружному диаметру с диаметром подвижного торцевого диска и жестко соединенное, по крайней мере, с двумя рычагами, повернутыми относительно друг друга на 180°, точка опоры каждого из которых упруго закреплена на опорных стойках неподвижной жесткой цилиндрической части корпуса, а срединная точка каждого рычага упруго соединена с ближайшим от него торцом стержневого пьезокерамического преобразователя.

3. Низкочастотный возбудитель гидроакустических колебаний по п.2, отличающийся тем, что плоское кольцо, входящее в систему балок, жестко соединено с тремя рычагами, средний из которых развернут на 180° относительно двух крайних рычагов по оси симметрии стержневого пьезокерамического преобразователя, а упругие герморазвязки выполнены в виде сильфонов.