широкоимпульсный гидроакустический излучатель

Формула изобретения

Широкоимпульсный гидроакустический излучатель, содержащий корпус, активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб с поляризацией по высоте, помещенный между конической фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь, отличающийся тем, что набор пьезокерамических шайб разделен гибкими пассивными прокладками на семь секций, толщины которых относятся как 5:2:2:1:1: 1: 1, а толщина каждой прокладки d (0,25 0,3)d₁, где d₁ толщина секции наименьшей толщины, причем к фронтальной конической накладке обращена секция наибольшей толщины, отношение диаметра большего основания к диаметру меньшего основания фронтальной конической накладки в виде усеченного конуса равно 2,0 2,5, резонансная частота фронтальной конической накладки f_рез (0,6 0,8)f₁, где f₁ частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, а соединение фронтальной конической накладки и корпуса излучателя выполнено гибким.

Описание изобретения к патенту

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

Известен гидроакустический излучатель (Камп Л. Подводная акустика, М. Мир, 1972, с. 163), содержащий стержневой пьезоэлемент с накладками, стянутыми армирующей шпилькой, причем тыльная накладка используется для понижения резонансной частоты излучателя, а фронтальная для излучения в рабочую среду.

Недостатками такого излучателя являются низкая чувствительность при использовании массивных частотопонижающих накладок, малая полоса рабочих частот и недостаточная направленность.

Известен гидроакустический излучатель (Носов В.Н. Новые акустические преобразователи с односторонней направленностью колебаний для геофизических работ. М. 1988, М-во геологии СССР, Межотраслевой научно-технический комплекс "Геос", ВНИИгеоинформсистем, с. 14, рис.5б), содержащий корпус, активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб, коническую фронтальную и тыльную накладки, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь. В таком излучателе понижение резонансной частоты определяется совместным влиянием тыльной накладки и фронтальной конической накладки, а эффективность излучения увеличена за счет трансформирующих свойств конической фронтальной накладки и уменьшения массы тыльной накладки.

Недостаток излучателя слабая направленность, обусловленная излучением корпуса, жестко связанного фланцевым соединением с излучающей фронтальной накладкой, малая рабочая полоса частот и сравнительно большие размеры. Указанный излучатель является наиболее близким к заявляемому изобретению.

В основу изобретения положена задача разработки малогабаритного направленного гидроакустического излучателя, обеспечивающего эффективную работу в широкой полосе частот и предназначенного для использования на необитаемых подводных аппаратах и других подводных средствах.

Поставленная задача решается тем, что в гидроакустическом излучателе, содержащем корпус, активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб с поляризацией по высоте, помещенный между конической фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь, набор пьезокерамических шайб разделен гибкими пассивными прокладками на семь секций, толщины которых относятся как числа 5 2 2: 1 1 1 1. Толщина каждой прокладки d (0,25^oC0,3)d₁, где d₁ толщина секции наименьшей толщины, причем к фронтальной конической накладке обращена секция наибольшей толщины, отношение диаметра большего основания к диаметру меньшего основания фронтальной конической накладки в виде усеченного конуса, равно 2 2,5, резонансная частота фронтальной конической накладки f_рез (0,6^oC0,8)f₁, где f₁ частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, а соединение фронтальной конической накладки и корпуса излучателя выполнено гибким. Такое конструктивное исполнение излучателя позволило существенно уменьшить его габариты и вес за счет применения гибких пассивных прокладок при сохранении достаточно высокой эффективности его работы, которая неизбежно уменьшается при введении гибких пассивных прокладок. В заявляемом излучателе гибкие прокладки сосредоточены в основном в тыльном звене активного элемента, где малы пьезонапряжения, и отсутствуют во фронтальном звене, где пьезонапряжения достигают максимального значения, поэтому эффективный коэффициент электромеханического преобразования уменьшается незначительно в сравнении с монолитным пьезоэлементом.

Кроме того, введение гибких прокладок позволяет уменьшить жесткость активного элемента, а следовательно, и его добротность на резонансных частотах и расширить полосу рабочих частот.

Направленность излучателя улучшена в сравнении с прототипом благодаря применению гибкой развязки корпуса от излучающей фронтальной накладки и уменьшению тыльного излучения.

Рабочая полоса частот сформирована в окрестности двух резонансных частот связанных колебаний излучателя с сохранением достаточно высокой эффективности его работы, как на резонансных частотах, так и в широкой полосе частот. Нижняя рабочая частота излучателя соответствует четвертьволновому резонансу активного элемента, т.е. в сравнении с прототипом она понижена примерно в два раза при сравнимых размерах активного элемента.

Таким образом, излучатель в новой совокупности существенных признаков по своим характеристикам превосходит по уровню техники известные аналогичные излучатели, а совокупность существенных признаков изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом.

На чертеже схематически представлен широкоимпульсный гидроакустический излучатель.

Излучатель содержит активный элемент 1, состоящий из секций 2 и гибких пассивных прокладок 3, фронтальную коническую накладку 4, стягивающий болт 5 с гайкой 6, корпус 7, соединенный с фронтальной конической накладкой через гибкие прокладки 8, герметизирующее кольцо 9, тыльную накладку 10 и внутреннее заполнение 11.

Первая секция 2 образует фронтальное звено, нагруженное непосредственно на фронтальную коническую накладку 4. Она набрана из пьезоактивных шайб, поляризованных по толщине, имеет максимальный коэффициент электромеханического преобразования, акустическую жесткость и скорость звука.

Две последующие секции 2 совместно с тремя гибкими пассивными прокладками 3 образуют промежуточное звено с пониженными коэффициентом электромеханического преобразования, акустической жесткостью и эффективной скоростью звука.

Последние четыре секции 2 с тремя гибкими пассивными прокладками 4 между ними образуют тыльное звено с низкими коэффициентом электромеханического преобразования, акустической жесткостью и эффективной скоростью звука.

Суммарная длина каждого из трех звеньев активного элемента 1 примерно одна и та же, эффективная жесткость активного элемента 1 в целом уменьшена в (3 4) раза в сравнении с жесткостью монолитного активного элемента из пьезокерамики, а рабочая полоса частот активного элемента 1 соответственно увеличена в (1,5^oC2) раза.

Резонансная частота продольных колебаний активного элемента 1 определяет верхнюю частоту рабочей полосы частот.

Фронтальная коническая накладка 4 выполнена в виде пластины с коническим переходом от основания малого диаметра, обращенного к активному элементу 1, к основанию большого диаметра, нагруженному на рабочую среду. Резонансная частота изгибных колебаний пластины определяет нижнюю граничную частоту диапазона частот.

Рабочая полоса частот увеличена в (2 3) раза в сравнении с пластиной фиксированного радиуса за счет применения конического перехода.

Внутреннее заполнение 11 объема излучателя жидкостью, например, трансформаторным маслом, играет роль элемента упругой связи в двухрезонансной колебательной системе, образованной фронтальной конической накладкой 4 переменной толщины и стержневым активным элементом 1 с переменной акустической жесткостью.

В излучателе резонансная частота изгибных колебаний фронтальной конической накладки f_p (0,6^oC0,8)f₁, где f₁ частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, при этом рабочие полосы частот связанных резонансов перекрываются, суммарная рабочая полоса частот составляет примерно октаву, а нижняя рабочая частота примерно соответствует четверть-волновому резонансу активного элемента.

Излучатель работает следующим образом.

При подаче рабочего напряжения на активный элемент 1 в нем возникают механические колебания, которые в свою очередь возбуждают колебания в акустически связанной с ним фронтальной конической накладке 4. Основная резонансная частота колебания определяется в основном параметрами фронтальной конической накладки 4, а их добротность невелика, т.к. радиальный размер накладки изменяется в широких пределах;

Вторая резонансная частота определяется в основном параметрами активного элемента, жесткость которого уменьшена в (3 4) раза введением гибких пассивных прокладок с соответствующим уменьшением добротности резонанса. При наличии акустической связи, которая обеспечивается внутренним объемом, рабочие полосы частот, соответствующие связанным резонансом, перекрываются, образуя октавную рабочую полосу частот.