Широкополосная гидроакустическая антенна

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к созданию гидроакустических антенн, предназначенных для работы в составе гидроакустических средств подводных автономных аппаратов и других систем. Сущность: промежуточный слой, расположенный на поверхности, образованной изгибно-колеблющимися рабочими накладками пьезокерамических составных преобразователей стержневого типа, выполнен из материала с малым коэффициентом сдвиговых потерь толщиной в интервале от 0,1 до 0,3 длины волны звука в нем, при этом частота fи резонанса преобразователя, обусловленного их изгибными колебаниями в водной среде, должна быть в диапазоне fи=(1,7-1,9)×f0, где f0 - частота основного продольного резонанса преобразователя. Технический результат: расширение рабочей полосы частот антенны при сохранении удельной акустической мощности и КПД. 1 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к созданию гидроакустических антенн, предназначенных для работы в составе гидроакустических средств подводных автономных аппаратов и других систем.

Разработка широкополосных гидроакустических антенн связана с решением комплекса вопросов одновременного обеспечения взаимоисключающих требований, таких как - высокие уровни излучения и КПД в широкой полосе частот, устойчивость к внешним воздействующим факторам, минимизацию массогабаритных характеристик, что особенно важно для многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем морского подводного оружия и автономных подводных аппаратов.

В большинстве конструкций антенн используемые преобразователи герметизируются со стороны рабочей поверхности звукопрозрачной резиной, вулканизованной на металлическом корпусе, а между резиной и преобразователями введен слой полиуретана, обеспечивающий акустический контакт преобразователя с резиной и водной средой (см. Л.В. Орлов, А.А. Шабров. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. Ленинград, Судостроение. 1987, с. 212). Такие конструкции могут обеспечить полосу пропускания не более 10-12% в диапазоне частот, определяемом механической добротностью пьезокерамических преобразователей, комплектующих антенну.

Известны конструкции гидроакустических антенн, в которых для расширения полосы пропускания вводятся дополнительные согласующие элементы в виде четвертьволнового слоя, или в виде системы слоев, размещаемой между пьезокерамическими преобразователями (см. патент РФ №2303336), и наружным герметизирующим слоем (покрытием). Такие конструкции гидроакустических многоэлементных антенн имеют значительные продольные габариты и массу. Кроме того, в случае использования общей накладки или общего согласующего слоя достаточной жесткости, происходит взаимная завязка пьезокерамических преобразователей, что ограничивает возможности их использования в широкополосных фазированных многолучевых (компенсированных) антеннах.

Увеличить полосу пропускания антенны до одной октавы без увеличения продольного габарита можно за счет использования в ней широкополосных гидроакустических пьезокерамических преобразователей стержневого типа с изгибно-колеблющимися рабочими накладками, (см. патенты РФ №2071184; 2147797). В этих конструкциях рабочая накладка выполняется таким образом, чтобы резонансная частота изгибных колебаний накладки составляла f=(0,6-0,8)×f1 где f1 - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента. Такой стержневой преобразователь, совершающий продольные колебания, и рабочая накладка, имеющая изгибные колебания, образуют связанную двухмодовую колебательную систему с рабочей полосой частот порядка октавы в диапазоне частот f=(0,5-1,0)×f1.

Недостатком таких преобразователей является увеличенный поперечный размер (диаметр) рабочей накладки по сравнению с полуволновым (в водной среде), что недопустимо для антенн, у которых для уменьшения взаимного влияния и уровня бокового поля характеристик направленности межцентровые расстояния выбираются близкими к половине длины волны звука в водной среде.

Кроме того, эффективного согласования преобразователя с водной средой, (когда обеспечивается идеальная частотная характеристика с рабочей полосой порядка октавы) удается достигнуть при непосредственном контакте поверхности изгибно-колеблющейся рабочей накладки преобразователя со средой, что недостижимо при его работе в составе реальной конструкции антенного устройства с наружным герметизирующим покрытием со стороны рабочей поверхности. Выбирая материалы покрытия, можно минимизировать сдвиговые потери, которые приводят к недопустимому демпфированию колебаний изгиба рабочих накладок при передаче в водную среду.

Известна конструкция гидролокационной антенны с полимерным покрытием (см. патент РФ №2528142 - прототип), содержащая пьезокерамические элементы и имеющая наружный герметизирующий слой со стороны ее рабочей поверхности, выполненный из полиуретана, в которой между наружным герметизирующим слоем и рабочей поверхностью пьезокерамических элементов введено дополнительное покрытие, выполненное из уретанового герметика, обладающего сдвиговыми потерями, что приводит к расширению полосы пропускания за счет снижения механической добротности колебательной системы. Это позволяет достигнуть расширения полосы частотной характеристики до 15-20%, но при этом существенно снижаются КПД системы и уровень излучения.

В этом варианте вносимые в систему потери являются положительным фактором. При необходимости дальнейшего расширения полосы пропускания и использования двухмодовой механической системы преобразователя, работающего на продольно-изгибных колебаниях за счет связанных колебаний основной продольной моды стержневого преобразователя и его изгибно-колеблющейся рабочей накладки, вносимые сдвиговые потери прилегающего к рабочей накладке слоя являются отрицательным фактором.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции гидроакустической антенны, обеспечивающей работу стержневых пьезокерамических преобразователей с изгибно-колеблющимися рабочими накладками в полосе частот не менее октавы за счет оптимального согласования с водной средой путем создания двугорбой частотной характеристики без подавления резонанса изгибных колебаний.

Технический результат изобретения заключаются в расширении рабочей полосы частот антенны при сохранении удельной акустической мощности и КПД.

Технический результат достигается тем, что промежуточный слой, расположенный на поверхности, образованной изгибно-колеблющимися рабочими накладками пьезокерамических составных преобразователей стержневого типа, выполнен из материала с малым коэффициентом сдвиговых потерь толщиной в интервале от 0,1 до 0,3 длины волны звука в нем, при этом частота fи резонанса преобразователя, обусловленного их изгибными колебаниями в водной среде, должна быть в диапазоне fи=(1,7-1,9)×f0, где f0 - частота основного продольного резонанса преобразователя.

Сущность изобретения поясняется на фигуре «Конструктивная схема широкополосной гидроакустической антенны».

Широкополосная гидроакустическая антенна содержит набор составных пьезокерамических преобразователей (4) стержневого типа, между изгибно-колеблющимися рабочими накладками (3) которых и наружным герметизирующим покрытием (1) из звукопрозрачного полиуретана помещен промежуточный слой (2), выполненный из материала, обладающего малыми сдвиговыми потерями. С тыльной стороны антенны пьезопреобразователи устанавливаются элементами крепления через промежуточную плату (5) на силовой корпус (6). Электрические монтажные провода пьезопреобразователей распаяны на промежуточную плату (5) с последующим выводом на кабель (7).

Функционирование антенны осуществляется следующим образом.

В динамическом режиме антенна осуществляет излучение и прием сигналов преобразователями (4) путем передачи колебаний рабочими накладками (3) через промежуточный слой (2) с герметизирующим покрытием (1). Наилучший результат достигается, если размеры накладок (3) преобразователей (4) выбираются из условия, чтобы частота fи резонанса, обусловленного изгибными колебаниями в водной среде, лежала в диапазоне fи=(1,7-1,9)×f0, где f0 - частота основного продольного резонанса преобразователя. В этом случае обеспечивается рабочий диапазон антенны с полосой частот не менее октавы.

В описанной выше конструкции антенного устройства реализованы все отличительные признаки, благодаря которым и достигается заявленный положительный эффект, а именно: обеспечение эффективного излучения в полосе частот порядка октавы. Такие антенны могут быть реализованы для гидроакустических средств подводных автономных аппаратов и других систем работающих в интервале частот 5…50 кГц.

Широкополосная гидроакустическая антенна, содержащая корпус, пьезокерамические преобразователи, герметизирующее покрытие из звукопрозрачного полиуретана и промежуточный слой, расположенный между наружным герметизирующим покрытием и рабочей поверхностью пьезокерамических преобразователей, отличающаяся тем, что промежуточный слой, расположенный на поверхности, образованной изгибно-колеблющимися рабочими накладками пьезокерамических составных преобразователей стержневого типа, выполнен из материала с малым коэффициентом сдвиговых потерь толщиной в интервале от 0,1 до 0,3 длины волны звука в нем, при этом частота fи резонанса преобразователя, обусловленного их изгибными колебаниями в водной среде, должна быть в диапазоне fи=(1,7-1,9)×f0, где f0 - частота основного продольного резонанса преобразователя.



 

Похожие патенты:

Использование: изобретение относится к ультразвуковым системам, более конкретно к ультразвуковым системам, включающим в себя гибкую плату для присоединения к элементам ультразвукового преобразователя в акустическом стеке. Сущность: в настоящем изобретении представлены гибкие платы и способы для ультразвуковых преобразователей.

Использование: для неразрушающего контроля различных изделий. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой преобразователь содержит призму с активной поверхностью, на которой закреплен, как минимум, один пьезоэлемент, при этом активная поверхность имеет цилиндрическую форму, причем ее ось расположена перпендикулярно плоскости падения ультразвуковой волны, а каждый закрепленный на ней пьезоэлемент выполнен в виде гибкой пьезоэлектрической пленки, причем угловые характеристики ультразвукового преобразователя в геометрическом приближении связаны между собой заданной системой уравнений.

Заявляемое изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в составе ультразвуковых расходомеров газа в качестве первичного преобразователя. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь содержит металлический корпус, пьезоэлектрический элемент, волновод, соединенный с нижней частью корпуса, пружину для поджатия пьезоэлектрического элемента, крышку, выводящие провода.

Использование: для излучения низкочастотных акустических сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что низкочастотный продольно-изгибный пьезокерамический преобразователь содержит армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус с бочкообразной боковой стенкой, на которой выполнены аксиальные профильные прорези, заклеенные эластичным материалом, а также торцевые крышки, при этом каждая аксиальная профильная прорезь преобразователя заклеена собственной эластичной вкладкой, причем каждая эластичная вкладка в продольном сечении выполнена повторяющей геометрическую форму аксиальной профильной прорези, а в поперечном сечении имеют арочную форму, скругленная часть которой направлена к внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса, а нескругленные части приклеены внешними сторонами к боковым поверхностям аксиальной профильной прорези, причем область склейки занимает всю площадь боковой поверхности аксиальной профильной прорези.

Изобретение относится к акустике. Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь содержит корпус, излучающую призму с закреплённым на ней излучающим пьезоэлементом, приёмную призму с закреплённым на ней приёмным пьезоэлементом и установленный между призмами электроакустический экран, включающий по меньшей мере один изолирующий слой.

Изобретение относится к акустике. Акустический пьезокерамический преобразователь содержит цилиндрический корпус, в котором по окружности закреплена мембрана, имеющая плоскую и центральную выпуклую часть, в основании которой закреплен биморфный пьезоблок с двумя пьезокерамическими дисками, соединенными питающими проводниками, над выпуклой частью мембраны.

Изобретение относится к акустике, к акустическим преобразователям. Электроакустический ненаправленный преобразователь содержит пьезостержень, две одинаковые осесимметричные накладки, выполненные в виде сплошных конусов, соединенных армирующей стяжкой, и герметизирующие прокладки, установленные в месте сопряжения накладок, которые обращены основаниями друг к другу, а со стороны этих оснований выполнены глухие цилиндрические отверстия, не превышающие по глубине половины длины пьезостержня, который располагается в них и жестко прикрепляется своими торцами к торцам указанных отверстий.

Использование: для изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента. Сущность изобретения заключается в том, что на торцевые поверхности пьезокерамического каркаса, имеющего открытые поры и общую пористость 40-60%, наносят электроды путем вжигания серебросодержащей пасты, поляризуют полученную заготовку, припаивают к электродам провода и покрывают пьезоэлемент слоем эластичного полимера.

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим преобразователям. Широкополосный гидроакустический пьезопреобразователь содержит активный элемент в виде вертикального набора пьезоактивных секций, гибких пассивных прокладок и двух наборов пьезоэлектрических шайб из пьезополимерной пленки, фронтальную и тыльную накладки, стягивающий болт с гайкой, корпус, герметизирующее кольцо.

Изобретение относится к области ультразвуковой метрологии, в частности к электромеханическим преобразователям звука. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь содержит корпус, внутри которого установлены протектор, два пьезоэлемента и демпфер.
Наверх