широкополосный низкочастотный гидроакустический излучатель

Формула изобретения

Широкополосный низкочастотный гидроакустический излучатель, содержащий корпус, стержневой активный элемент в виде набора из семи разнотолщинных секций из пьезоактивных шайб с поляризацией по высоте, разделенных гибкими пассивными прокладками толщиной d = (0,25 - 0,3)d₁, где d₁ - толщина секции наименьшей толщины, помещенный между конической фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, отношение диаметра большого основания к диаметру меньшего основания фронтальной конической накладки в виде усеченного конуса равно 2,0 - 2,5, а резонансная частота фронтальной конической накладки f = (0,6 - 0,8)f₁, f₁ - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, отличающийся тем, что тыльная накладка выполнена идентично фронтальной, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра тыльной конической накладки, корпус выполнен в виде двух идентичных цилиндрических стаканов с составными фланцами, внешний диаметр которых D = (2,0 - 2,5)D₁, где D₁ - диаметр большего основания конических накладок, цилиндрические стаканы стянуты по фланцам шпильками с образованием между ними зазора, ширина которого = (0,1 - 0,15)l, где l - длина стержневого активного элемента, между дном каждого цилиндрического стакана и основанием каждой конической накладки помещена звукоизолирующая прокладка, между внешней цилиндрической поверхностью фланцев и рабочей средой помещена цилиндрическая излучающая оболочка из акустически мягкого материала, внутренний диаметр которой равен внешнему диаметру фланцев, высота оболочки равна высоте корпуса, а толщина h = (0,03 - 0,05)R, где R - средний радиус цилиндрической излучающей оболочки, внутренний объем корпуса разделен на два объема гибкой мембраной, установленной между составными фланцами, первый из которых, находящийся между коническими накладками и гибкой мембраной, заполнен рабочей жидкостью с большей сжимаемостью и малой плотностью, а второй, находящийся между гибкой мембраной и излучающей цилиндрической оболочкой, заполнен рабочей жидкостью с большой плотностью, толщины секций из пьезокерамических шайб относятся как 1 : 1 : 2 : 5 : 2 : 1 : 1, соединение цилиндрической поверхности конических накладок и корпуса, цилиндрической поверхности фланцев и внутренней поверхности излучающей цилиндрической оболочки выполнено скользящим посредством герметизирующих кольцевых прокладок, а резонансная частота резонатора Гельмгольца, образованного гибкостью жидкости первого объема, массой жидкости второго объема, гибкостью и массой излучающей цилиндрической оболочки и присоединенной массой окружающей излучатель рабочей среды f = (0,3 - 0,4)f₁.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке низкочастотных излучателей малых размеров, работающих в полосе частот, а также гидроакустических многоэлементных антенн, работающих на основе этих излучателей.

Известен гидроакустический низкочастотный излучатель [1], содержащий стержневой пьезокерамический активный элемент с идентичными фронтальной и тыльной накладками, цилиндрический корпус, устройство фиксации стержневого активного элемента относительно корпуса и звукопрозрачное окно для излучения. Внутренний объем корпуса заполнен рабочей жидкостью с высокой сжимаемостью, а также специальными воздухосодержащими трубками, увеличивающими акустическую гибкость внутреннего объема жидкости. В качестве рабочей жидкости использована жидкость типа флуориент на основе фреона с параметрами: = 1,727 10³ кг/м³, c = 0,57 10³ м/с, = 1/c² = 0,18 10^-8 м²/Н, где , c, - плотность, скорость звука и сжимаемость.

Пьезокерамический активный элемент известного излучателя возбуждает колебания конических накладок, вставленных в цилиндрический корпус с небольшим зазором, которые в свою очередь деформируют внутренний жидкостный объем цилиндрического корпуса, играющего роль резонатора Гельмгольца с двусторонним возбуждением и низкой резонансной частотой.

Недостатком такого излучателя является низкая эффективность использования в качестве возбудителя стержневого пьезоактивного элемента, собственная резонансная частота которого значительно выше резонансной частоты самого резонатора Гельмгольца.

Известен также гидроакустический низкочастотный излучатель [2], содержащий корпус, стержневой активный элемент в виде набора семи разнотолщинных секций из пьезоактивных 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, внутренний объем заполнен средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен излучатель, а соединение фронтальной конической накладки и корпуса излучателя выполнено гибким. Толщины отдельных секций активного элемента относятся как 5:2:2:1:1:1:1, причем к фронтальной конической накладке обращена секция наибольшей толщины, секции разделены гибкими пассивными прокладками толщиной d = (0,25 - 0,3)d₁, где d₁ - толщина секции наименьшей толщины, отношение диаметра большего основания к диаметру меньшего основания фронтальной конической накладки в виде усеченного конуса равно 2,0 - 2,5, а резонансная частота фронтальной конической накладки f = (0,6 - 0,8)f₁, где f₁ - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента. В таком излучателе резонансная частота стержневого активного элемента понижена в 2,0-2,5 раза применением гибких пассивных прокладок и секционированием стержневого активного элемента. Стержневой активный элемент, совершающий продольные колебания, и фронтальная коническая накладка, совершающая изгибные колебания, образуют связанную колебательную систему с рабочей полосой частот порядка октавы в диапазоне частот f = (0,5 - 1,0)f₁.

Такой излучатель является наиболее близким к заявляемому изобретению. Недостатком такого излучателя является невозможность дальнейшего понижения рабочих частот без увеличения его размеров.

В основу изобретения положена задача создания малогабаритного гидроакустического излучателя, обеспечивающего эффективную работу на низких частотах и предназначенного для использования в автономных необитаемых устройствах, например подводных аппаратах, а также при разработке низкочастотных гидроакустических многоэлементных антенн на основе подобных малогабаритных модулей.

Поставленная задача решается тем, что в широкополосном низкочастотном гидроакустическом излучателе, содержащем корпус, стержневой активный элемент в виде набора из семи разнотолщинных секций из пьезоактивных шайб с поляризацией по высоте, разделенных гибкими пассивными прокладками толщиной d= (0,25 - 0,3)d₁, где d₁ - толщина секции наименьшей толщины, помещенный между конической фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, отношение диаметра большого основания к диаметру меньшего основания фронтальной конической накладки в виде усеченного конуса равно 2,0 - 2,5, а резонансная частота фронтальной конической накладки f= (0,6 - 0,8)f₁, f₁ - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, тыльная накладка выполнена идентично фронтальной, причем к стрежневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра тыльной конической накладки, корпус выполнен в виде двух идентичных цилиндрических стаканов с составными фланцами, внешний диаметр которых D=(2,0 - 2,5)D₁, где D₁ - диаметр большего основания конических накладок, цилиндрические стаканы стянуты по фланцам шпильками с образованием между ними зазора, ширина которого = (0,10,15)l, где l - длина стержневого активного элемента, между дном каждого цилиндрического стакана и основанием каждой конической накладки помещена звукоизолирующая прокладка, между внешней цилиндрической поверхностью фланцев и рабочей средой помещена цилиндрическая излучающая оболочка акустически мягкого материала, внутренний диаметр которой равен внешнему диаметру фланцев, высота оболочки равна высоте корпуса, а толщина h=(0,03 - 0,05)R, где R - средний радиус цилиндрической излучающей оболочки, внутренний объем корпуса разделен на два объема гибкой мембраной, установленной между фланцами, первый из которых, находящийся между коническими накладками и гибкой мембраной, заполнен рабочей жидкостью с большой сжимаемостью и малой плотностью, а второй, находящийся между гибкой мембраной и излучающей цилиндрической оболочкой, заполнен рабочей жидкостью с большой плотностью, толщины секций из пьезокерамических шайб относятся как 1: 1: 2:5:2:1:1, соединение цилиндрической поверхности конических накладок и корпуса, цилиндрической поверхности фланцев и внутренней поверхности излучающей цилиндрической оболочки выполнено скользящим посредством герметизирующих кольцевых прокладок, а резонансная частота резонатора Гельмгольца, образованного гибкостью жидкости первого объема, массой жидкости второго объема, гибкостью и массой излучающей цилиндрической оболочки и присоединенной массой окружающей излучатель рабочей среды f=(0,3 - 0,4)f₁.

В качестве рабочей жидкости используется жидкость с высокой сжимаемостью и малой плотностью, например пентан с параметрами: = 0,621 10³ кг/м³, c = 1,011 10³ м/с, = 0,16 10^-8 м/Н, плотность которой и соответственно масса при равных сравниваемых объемах и сжимаемостях почти в три раза меньше, чем у флуориента [1].

Указанный объем рабочей жидкости с высокой сжимаемостью играет роль акустической гибкости в резонаторе Гельмгольца и определяет рабочую частоту излучателя.

Активный стержневой элемент нагружен своими накладками на резонансное звено акустическая гибкость - масса резонатора Гельмгольца, масса которого существенно увеличена за счет подключения массы жидкости второго объема, массы излучающей цилиндрической оболочки и присоединенной массы окружающей рабочей среды, на которую нагружен излучатель. Использование в качестве рабочей жидкости второго объема с большей плотностью, например бромоформа ( = 2,9 10³ кг/м³) увеличивает суммарную массу резонатора. Увеличение массовой нагрузки уменьшает частоту резонатора Гельмгольца до значения f₁ = (0,3 - 0,4)f₁.

Эффективность работы стержневого активного элемента как возбудителя колебаний в резонаторе Гельмгольца увеличена за счет понижения собственной частоты продольных колебаний тыльной накладкой, которая выполнена идентичной фронтальной. С этой целью распределение гибких прокладок по длине стержневого активного элемента выполнено таким образом, что жесткость стержня и эффективная скорость звука значительно уменьшены в периферийной его части, где велики смещения, но незначительно уменьшены в средней части, где велики упругие напряжения. Благодаря такому распределению гибких прокладок резонансная частота продольных колебаний стержневого активного элемента с накладками уменьшена в 2 - 3 раза при незначительном уменьшении коэффициента электромеханического преобразования.

В результате стержневой активный элемент, совершающий продольные колебания, конические накладки, совершающие изгибные колебания, и резонатор Гельмгольца, совершающий объемные колебания, образуют связанную колебательную систему, эффективно работающую в зоне взаимодействия всех резонансов, образующих полосу частот f = (0,3 - 1,0)f₁, при этом нижняя частота излучателя понижена в сравнении с прототипом в 1,5 - 2,0 раза за счет возбуждения объемного резонанса.

Для увеличения эффективности работы излучателя в него введена излучающая цилиндрическая оболочка, нагруженная непосредственно на рабочую среду.

Выполненная из акустически мягкого материала с небольшой жесткостью, например из сферопластика, она несущественно увеличивает суммарную жесткость колебательной системы, но существенно увеличивает нагруженность активного элемента и эффективность работы собственно излучателя в целом.

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

На чертеже схематически представлен широкополосный низкочастотный гидроакустический излучатель. Излучатель содержит корпус 1 с фланцами 2, 3, стянутыми шпильками 4. В корпусе 1 размещены: стрежневой активный элемент 5, состоящий из секций 6 и гибких пассивных прокладок 7, фронтальную и тыльную конические накладки 8, стягивающий болт 9 с гайкой 10, звукоизолирующие прокладки 11, герметизирующие кольцевые прокладки 12 и излучающая цилиндрическая оболочка 13. Между фланцами 2 и 3 размещена гибкая мембрана 14. Первый объем 15 и второй объем 16 заполнены рабочей жидкостью.

Стержневой активный элемент 5 выполнен в виде набора из семи разнотолщинных секций 6 из пьезоактивных шайб с поляризацией по высоте, разделенных гибкими пассивными прокладками 7 толщиной d=(0,25 - 0,3)d₁, где d₁ - толщина секции наименьшей толщины. Стержневой активный элемент 5 помещен между коническими фронтальной и тыльной накладками 8 и стянут болтом 9 с гайкой 10. Конические накладки 8 обращены к стержневому активному элементу 5 основаниями меньшего диаметра. Корпус 1 выполнен в виде двух идентичных цилиндрических стаканов с составными фланцами 2 и 3, стянутых по фланцам шпильками с зазором. Между дном каждого цилиндрического стакана и основанием каждой конической накладки 8 помещена звукоизолирующая прокладка 11. Между внешней цилиндрической поверхностью фланцев 2 и 3 и рабочей средой помещена цилиндрическая излучающая оболочка 13 из акустически мягкого материала. Внутренний объем корпуса 1 разделен на два объема 15 и 16 гибкой мембраной 14. Толщины секций 6 из пьезокерамических шайб относятся как 1:1:2:5:2:1:1. Соединение цилиндрической поверхности конических накладок 8 и корпуса 1, цилиндрической поверхности фланцев 2 и 3 и внутренней поверхности излучающей цилиндрической оболочки выполнено посредством герметизирующих кольцевых прокладок 12.

Излучатель работает следующим образом. При подаче рабочего напряжения на стержневой активный элемент 15 в нем возникают механические колебания, которые в свою очередь возбуждают колебания в акустически связанных с ним конических накладках 8 и внутренним объемом 15, 16 корпуса 1, играющим роль резонатора Гельмгольца. Основная резонансная частота в такой связанной колебательной системе определяется в основном параметрами резонатора Гельмгольца, то есть гибкостью первого объема 15, заполненного рабочей жидкостью с большой сжимаемостью и малой плотностью, например пентаном, массой второго объема 16, заполненного рабочей жидкостью с большой плотностью, например бромоформом, массой и гибкостью излучающей цилиндрической оболочки 13 из акустически мягкого материала, например сферопластика с малой массой и гибкостью, и присоединенной массой рабочей среды и составляет f = (0,3 - 0,4)f₁.

Возбудитель колебаний в резонаторе Гельмгольца является в свою очередь резонансной системой, основными парциальными частотами которой являются резонансная частота изгибных колебаний конических накладок f_рез=(0,6 - 0,8)f₁ и резонансная частота продольных колебаний стержневого активного элемента f₁. Акустическая связь всех парциальных колебательных систем обеспечивает эффективную работу излучателя в полосе частот f=(0,3 - 1,0)f₁.

Акустические колебания излучаются в окружающую рабочую среду цилиндрической излучающей оболочкой.

Такие малогабаритные и достаточно эффективные низкочастотные излучатели используются в автономных необитаемых устройствах, например в подводных аппаратах, а также при разработке низкочастотных гидроакустических многоэлементных антенн на основе подобных малогабаритных модулей, где массогабаритные характеристики имеют решающее значение.

Источники информации

1. Y. Le Gall, D. Boucher, "Great depth, broadband, reliable low frequency transducer for acoustical oceanography" Proceedings of Ocean-94, t. 11, p. 284-288.

2. Патент Российской Федерации N 2071184, H 04 R 1/44, 17/00, 1993 - прототип.