малогабаритный широкополосный гидроакустический излучатель

Формула изобретения

Малогабаритный широкополосный гидроакустический излучатель, содержащий корпус, заполненный промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен излучатель, стержневой активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб с поляризацией по высоте, разделенных гибкими прокладками, помещенный между конической фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, при этом к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а сама коническая фронтальная накладка выполнена таким образом, что отношение диаметра ее большего основания к диаметру ее меньшего основания равно 2,0 - 2,5, ее резонансная частота f_рез = (0,6 - 0,8)f₁, где f₁ - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, при этом соединение конической фронтальной накладки и корпуса излучателя выполнено гибким, отличающийся тем, что гибкие прокладки выполнены из поляризованного по толщине пьезоактивного материала, например поливинилиденфторида, и образуют с пьезокерамическими шайбами периодическую структуру в виде секций равной толщины d = d₁ + d₂, где d - толщина секции, d₁ - толщина пьезокерамических шайб, d₂ - толщина гибких прокладок, при этом толщина гибких прокладок d₂ = (0,1 - 0,15)d₁, гибкие прокладки из пьезоактивного материала и пьезокерамические шайбы электрически соединены параллельно, а их поляризация такова, что они возбуждаются синфазно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидроакустикe и может быть использовано при разработке низкочастотных излучателей малых размеров, работающих в широкой полосе рабочих частот и предназначенных для применения на необитаемых подводных аппаратах и других подводных средствах.

Известен гидроакустический излучатель [1], 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 известного излучателя являются низкая чувствительность, малая полоса рабочих частот и недостаточная направленность.

Известен также широкополосный гидроакустический излучатель [2], содержащий активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб с поляризацией по высоте и разделенных гибкими прокладками, 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 излучатель. Коническая фронтальная накладка выполнена таким образом, что отношение диаметра большего основания к диаметру меньшего основания конической фронтальной накладки в виде усеченного конуса равно 2,0-2,5, а резонансная частота конической фронтальной накладки f_рез = (0,6-0,8)f₁, где f₁ - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, а соединение конической фронтальной накладки и корпуса излучателя выполнено гибким.

Гибкие прокладки разделяют набор пьезокерамических шайб 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.

Недостаток такого широкополосного гидроакустического излучателя заключается в том, что в стержневом активном элементе установлены гибкие пассивные прокладки, тем самым снижен коэффициент электромеханического преобразования и как следствие этого уменьшена чувствительность излучателя и эффективность его работы.

Данный широкополосный гидроакустический излучатель по функциональному назначению, по своей технической сущности и по достигаемому техническому результату наиболее близок к заявленному излучателю.

В основу изобретения поставлена задача разработать малогабаритный направленный широкополосный гидроакустический излучатель с повышенной эффективностью работы в широкой полосе рабочих частот для использования на необитаемых подводных аппаратах и других подводных средствах океанотехники.

Поставленная задача решается тем, что в малогабаритном широкополосном гидроакустическом излучателе, содержащем корпус, заполненный промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен излучатель, стержневой активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб с поляризацией по высоте, разделенных гибкими прокладками, помещенный между конической фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, при этом к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а сама коническая фронтальная накладка выполнена таким образом, что отношение диаметра ее большего основания к диаметру ее меньшего основания равно 2,0-2,5, а резонансная частота f_рез = (0,6-0,8)f₁, где f₁ - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, при этом соединение конической фронтальной накладки и корпуса излучателя выполнено гибким, гибкие прокладки выполнены из поляризованного по толщине пьезоактивного материала, например поливинилиденфторида, и образуют с пьезокерамическими шайбами периодическую структуру в виде секций равной толщины d = d₁ + d₂, где d - толщина секции, d₁ - толщина пьезокерамических шайб, d₂ - толщина гибкой прокладки, при этом толщина гибких прокладок d₂ = (0,1-0,15)d₁, гибкие прокладки из пьезоактивного материала и пьезокерамические шайбы электрически соединены параллельно, а их поляризация такова, что они возбуждаются синфазно.

Коэффициент электромеханического преобразования для стержневого пьезоэлемента определяется выражением [3]



где d₃₃, ^T₃₃, S^E₃₃ - пьезомодуль, диэлектрическая постоянная при постоянном напряжении и постоянная гибкости при постоянном поле.

При использовании в составе стержневого пьезоэлемента пьезокерамических шайб и гибких прокладок из пассивного либо пьезоактивного материала все величины, входящие в определение коэффициента электромеханической связи, понимаются как некоторые усредненные или эффективные.

Если в качестве гибких прокладок используется пассивный материал типа сферопластика, который не включается в электрическую цепь и не участвует в процессе электромеханического преобразования, то эффективное значение диэлектрической постоянной определяется формулой



Если в качестве гибких прокладок используется пьезоактивный материал типа пьезополимера, который включается в электрическую цепь возбуждения параллельно с пьезокерамическими шайбами и участвует в процессе электромеханического преобразования, то формула для эффективного значения диэлектрической постоянной имеет вид

_эфф= m^T₃₃+(1-m)_n,

где _n - диэлектрическая постоянная полимера.

Реально параметр размягчения принимает значения m = 0,1-0,15, а ^T₃₃, тогда выигрыш в коэффициенте электромеханической связи при использовании пьезополимера по сравнению с прототипом, в котором использовался пассивный гибкий материал типа сферопластика, определяется формулой



где (k₃₃)nn, (k₃₃)сф - относятся к активному элементу с гибкими прокладками на основе пьезополимера и сферопластика соответственно.

При соединении в периодическую структуру гибкие прокладки из пьезоактивного материала уменьшают жесткость стержневого пьезоэлемента и уменьшают, как и в прототипе, его резонансную частоту.

Однако, будучи включенными электрически параллельно с пьезоэлементами, они существенно уменьшают и эффективную диэлектрическую постоянную такого композитного пьезоматериала, что означает увеличение коэффициента электромеханического преобразования.

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.

Hа фиг. 1 схематически представлен широкополосный гидроакустический излучатель; на фиг. 2 - схема электрического соединения пьезокерамических шайб и гибких прокладок из пьезоактивного материала.

Малогабаритный широкополосный гидроакустический излучатель содержит стержневой активный элемент 1, представляющий собой периодическую структуру в виде секций равной толщины, состоящих из склеенных между собой пьезокерамических шайб 2 и гибких прокладок из пьезоактивного материала 3, коническую фронтальную накладку 4, стягивающий болт 5 с гайкой 6, корпус 7, соединенный с конической фронтальной накладкой 4 через гибкие прокладки 8, герметизирующее кольцо 9, тыльную накладку 10 и внутреннее заполнение 11 промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен излучатель. Стержневой активный элемент 1 помещен между конической фронтальной накладкой 4 и тыльной накладкой 10, при этом к стержневому активному элементу 1 обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки 4. Сама коническая фронтальная накладка 4 выполнена таким образом, что отношение диаметра ее большего основания к диаметру ее меньшего основания равно 2,0-2,5, а ее резонансная частота f_рез = (0,6-0,8)f₁, где f₁ - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента. Соединение конической фронтальной накладки 4 и корпуса 7 выполнено гибким. Секции выполнены равной толщины d = d₁ + d₂, где d - толщина секции, d₁ - толщина пьезокерамических шайб, d₂ - толщина гибких прокладок, при этом толщина гибких прокладок d₂ = (0,1-0,15)d₁. Гибкие прокладки 3 из пьезокерамического материала и пьезокерамические шайбы 2 электрически соединены параллельно, а их поляризация такова, что они возбуждаются синфазно. Знаками "+" и "-" обозначено направление поляризации.

Малогабаритный широкополосный гидроакустический излучатель работает следующим образом. При подаче рабочего напряжения на стержневой активный элемент 1 в нем возникают механические колебания, которые в свою очередь возбуждают колебания в акустически связанной с ним конической фронтальной накладкe 4. Основная рабочая частота колебаний определяется в основном параметрами конической фронтальной накладки 4, а их добротность невелика, т.к. радиальный размер накладки изменяется в широких пределах.

Вторая резонансная частота определяется в основном параметрами активного элемента 1, жесткость которого уменьшена в 3-4 раза введением гибких пьезоактивных прокладок 3 с соответствующим уменьшением добротности резонанса. При наличии акустической связи, которая обеспечивается внутренним объемом, рабочие полосы частот, соответствующие связанным резонансaм, перекрываются, образуя октавную рабочую полосу частот.

Эффективность работы излучателя определяется коэффициентом электромеханической связи, который в сравнении с прототипом увеличен в 2-3 раза за счет применения гибких прокладок 3 из пьезоактивного материала, которые возбуждаются синфазно с пьезокерамическими шайбами 2 и активно участвуют в процессе электромеханического преобразования, увеличивая эффективность работы излучателя в целом.

Источники информации

1. Камп Л. Подводная акустика.- М.: Мир, 1972, с. 163.

2. Патент РФ N 2071184, кл. 6 H 04 R 1/44, 17/00, 1996 г. Бюл. N 36 - прототип.

3. Физическая акустика/Под ред. У. Мэзона, М.: Мир, т. 1, ч. A, 1966, с. 230.