Широкополосный стержневой гидроакустический преобразователь

Полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн навигационных, рыбопоисковых, и другого назначения гидроакустических станций, а также - для систем звукоподводной связи. Преобразователь содержит тыльную 1 и фронтальную 2 части пьезоактивного стержня, фронтальную накладку 3 и тыльную накладку 4, генератор сигналов 5, который через предварительный усилитель 6 и усилитель мощности 7 соединен с фронтальной частью 2 пьезоактивного стержня. С тыльной частью 1 пьезоактивного стержня генератор сигналов соединен через блок фазовой коррекции 8, блок управления амплитудой 9, предварительный усилитель 10 и усилитель мощности 11. Технический результат заключается в возможности существенного увеличения полосы пропускания стержневого гидроакустического преобразователя (до 2 октав) путем электрически управляемого возбуждения двух частей его пьезоактивного стержня.

Полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн навигационных, рыбопоисковых, и другого назначения гидроакустических станций, а также - для систем звукоподводной связи.

Стержневые преобразователи используются во многих гидроакустических системах благодаря удобству их компоновки в антеннах.

Наиболее распространенным является преобразователь, содержащий пьезоактивный стержень, в котором все его части подключены к источнику питания, возбуждаются одним и тем же электрическим напряжением (случай синфазного возбуждения). В этом случае амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) преобразователей в режиме излучения определяются его конструкцией (колебательной системой), см., например [Патент 2147797 РФ «Малогабаритный широкополосный гидроакустический излучатель» / Касаткин Б.А., Касаткин С.Б., Публ. 20.04.2000, H04R 1/44, 17/00] или корректирующими электрическими цепями, включаемых между источником возбуждения и преобразователем, см., например [Пьезокерамические преобразователи / Справочник под ред. Пугачева С.И., Л., Судостроение, 1984, Гл.6 с.170-181. При этом могут быть получены достаточно широкополосные АЧХ излучения. Однако в первом случае достигаемая полоса пропускания составляет 1 октаву (66.7%) и преобразователь в основном предназначен для работы в области сравнительно низких частот - менее 50 кГц, а во втором - существенными оказываются потери энергии в корректирующих электрических цепях, что сказывается на уменьшении уровня излучения, и для таких преобразователей КПД 50%.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является стержневой гидроакустический преобразователя, изложенный в Патенте 7126878 США «Двухтактный преобразователь типа Tonpilz», Erikson К.R., Публ. 24.10.2006, H04R 17/00. Он содержит пьезоактивный стержень, электрически разделенный на две части, тыльную и фронтальную накладки, генератор сигналов подключенный через блок управления к каждой части пьезоактивного стержня, причем генератор сигналов подключен таким образом, что на одну часть пьезоактивного стержня подается противофазное по отношению к другой части возбуждающее электрическое напряжение U₀, т.е. на одну часть пьезоактивного стержня подается электрическое напряжение «+U₀ », а на другую - «-U₀». Причем, указанное соотношение между амплитудами и фазами электрических напряжений, подаваемых на обе части пьезоактивного стержня сохраняется неизменным во всем диапазоне частот. Тот же эффект может быть получен, если пьезокерамические элементы (шайбы); образующую одну часть пьезоактивного стержня, будут поляризованы противоположно по отношению к пьезокерамическим шайбам, образующим его другую часть. При этом обе части пьезоактивного стержня оказываются включенными противофазно друг другу и возбуждаются одним и тем же электрическим напряжением U₀.

Недостатком известного преобразователя является то, что разделение на две части пьезоактивного стержня, при условии их противофазного возбуждения (включения), приводит к эффективной работе такого стержневого преобразователя лишь в области частоты F₂ , являющейся его резонансной частотой или первой четной гармоникой преобразователя в случае синфазного возбуждения обеих частей пьезоактивного стержня электрическим напряжением U₀ . Даже если фронтальную накладку этого преобразователя выполнить согласующей, то достигаемая полоса пропускания может составить лишь 3545%, т.е. менее 1 октавы (F/F_cp66.7%).

Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в разработке такого гидроакустического преобразователя, который позволяет без усложнения конструкции стержневого преобразователя существенно увеличить его полосу пропускания. Причем, предлагаемое решение может быть использовано и для сравнительно высокочастотных преобразователей (более 50100 кГц).

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемой полезной модели так же, как в известном решении, стержневой гидроакустический преобразователь содержит пьезоактивный стержень, электрически разделенный на две части, тыльную и фронтальную накладки, генератор сигналов, причем на одну часть пьезоактивного стержня подается противофазное по отношению к другой части возбуждающее электрическое напряжение. Но, в отличие от известного, значения удельного импеданса z_ф и толщины l_ф фронтальной накладки выбирают из условий: и l_ф0.25l·с_ф/с, где z_k и z_c - удельные импедансы материала пьезоактивного стержня и жидкой среды, в которую происходит излучение; l - длина пьезоактивного стержня; c_ф и с - скорости звука в материалах фронтальной накладки и пьезоактивного стержня, а один из выходов генератора сигналов через блок фазовой коррекции, блок управления амплитудой, предварительный усилитель и усилитель мощности соединен с тыльной частью пьезоактивного стержня, а второй выход генератора сигналов через предварительный усилитель и усилитель мощности соединен с фронтальной частью пьезоактивного стержня.

Достигаемый технический результат заключается в возможности дополнительного увеличения полосы пропускания стержневого гидроакустического преобразователя, путем электрически управляемого возбуждения двух частей его пьезоактивного стержня за счет изменения амплитуды и фазы электрического напряжения U_T, подаваемого на часть пьезоактивного стержня, контактирующую с тыльной накладкой. При этом на другую часть пьезоактивного стержня подается частотно независимое, постоянное по амплитуде и фазе электрическое напряжение U_Ф. Изменяя амплитуду и фазу электрического напряжения U_T можно активизировать работу стержневого гидроакустического преобразователя на трех характерных частотах F₁F₂/2, 2F₁F₂ и 3F₁, а также - в областях между ними. Здесь F₁ - резонансная частота пьезоактивного стержня при синфазном возбуждении всех его частей, a F₂ - частота, соответствующая первой четной гармонике стержня. При этом обеспечивается сравнительно малый уровень неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) излучения преобразователя (см. фиг.2) и полоса пропускания может достигать до 2 октав (F/F_cp122%) при условии выполнения фронтальной накладки согласующей четвертьволновой на частоте F₂, являющейся первой четной гармоникой для всего синфазно возбуждаемого пьезоактивного стержня.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 показан пример выполнения стержневого гидроакустического преобразователя, а на фиг.2 - нормированная АЧХ звукового давления.

Предлагаемый преобразователь содержит тыльную 1 и фронтальную 2 части пьезоактивного стержня, фронтальную накладку 3 и тыльную накладку 4, генератор сигналов 5, который через предварительный усилитель 6 и усилитель мощности 7 соединен с фронтальной частью 2 стержня. С тыльной частью 1 пьезоактивного стержня генератор сигналов 5 соединен через блок фазовой коррекции 8, блок управления амплитудой 9, предварительный усилитель 10 и усилитель мощности 11.

Рассмотрим пример работы стержневого гидроакустического преобразователя. От генератора сигналов 5 возбуждающее электрическое напряжение подается по каналу, обозначенному индексом «Ф», через предварительный усилитель 6 и усилитель мощности 7 на фронтальную часть 2 пьезоактивного стержня, контактирующую с фронтальной накладкой 3, а по другому каналу, обозначенному индексом «Т», - через блок фазовой коррекции 8, блок управления амплитудой 9, предварительный усилитель 10 и усилитель мощности 11 на тыльную часть 1 пьезоактивного стержня, контактирующую с тыльной накладкой 4. Блок фазовой коррекции обеспечивает последовательное изменение разности фаз от ± до с ростом частоты от 0 до 4F₁, между электрическими напряжениями U_ф и U_т, подаваемыми на указанные части пьезоактивного стержня. При этом в области частоты 2F ₁F₂ разность фаз близка к нулю. Знаки «±» и «» указывают на два возможных варианта начальных и конечных значений разности фаз на соответствующих частотах между электрическими напряжениями, подаваемыми на две части пьезоактивного стержня. Использование одной пары «+, -» или другой «-, +» принципиально не сказывается на работе преобразователя. Однако переход от одной пары к другой требует небольшой коррекции по соотношению амплитуд возбуждающих напряжений, не изменяя общий характер частотной зависимости U_т. Блок 9 управления амплитудой электрического напряжения обеспечивает ее изменение с частотой таким образом, чтобы на частоте 2F₁F₂ амплитуда U_т достигала своего максимального значения, а на указанных крайних частотах (от 0 до 4F₁) была в 1.52.5 раза меньше этого значения.

Принцип работы стержневого гидроакустического преобразователя заключается в том, что, благодаря выбору параметров фронтальной согласующейнакладки и возможности управления амплитудой и фазой возбуждающих напряжений, формируются три взаимосвязанные области эффективного излучения с базовыми частотами F₁F₂/2, 2F₁F₂ и 3F₁. Постепенное изменение фазы (разности фаз между электрическими напряжениями U_Ф и U _т) и амплитуды возбуждающего электрического напряжения U_т (относительно U_ф), значения которых в области частоты F₂ соответственно: - приближается к нулю и U_т - достигает своего максимального значения, способствуют выравниванию уровня излучения в области между первой и второй нечетными гармониками, т.е. между частотами F₁ и 3F₁, обеспечивая тем самым полосу пропускания более 100%. Уровень излучения в области первой четной гармоники F₂2F₁ в основном поддерживается за счет разницы в значениях амплитуд U_Ф и U_Т, а использование согласующей фронтальной накладки способствует выравниванию АЧХ в областях между частотами F₁F₂ и F₂3F₁. Указанные положения иллюстрируются результатами расчетов, показанных на фиг.2, для которой были выбраны следующие частотные зависимости и =-(1-F/2F₁), а значения параметров согласующей фронтальной накладки: удельный импеданс - z_Ф=3·10 ⁶Пa·c/м (z_с=1.5·10⁶ Па·с/м и z_k=25·10⁶ Пa·c/м), длина l _Ф выбиралась четвертьволновой на частоте F₂(k _Ф,l_Ф,=0.25kl, где k=/c_Ф, k=/c, =2F). Полоса пропускания на уровне -3 дБ в данном случае составляет F/F_ср=117%.

Широкополосный стержневой гидроакустический преобразователь, содержащий пьезоактивный стержень, электрически разделенный на две части, тыльную и фронтальную накладки и генератор сигналов, причем генератор сигналов подключен таким образом, что на одну часть пьезоактивного стержня подается противофазное по отношению к другой части возбуждающее электрическое напряжение, отличающийся тем, что значения удельного импеданса z_ф и толщины l_ф фронтальной накладки выбирают из условий: и l_ф0,25l·с_ф/с, где z_k и z_c - удельные импедансы материала пьезоактивного стержня и жидкой среды, в которую происходит излучение; l - длина пьезоактивного стержня; с_ф и с - скорости звука в материалах фронтальной накладки и пьезоактивного стержня, а один из выходов генератора сигналов через блок фазовой коррекции, блок управления амплитудой, предварительный усилитель и усилитель мощности соединен с тыльной частью пьезоактивного стержня, а второй выход генератора сигналов через предварительный усилитель и усилитель мощности соединен с фронтальной частью пьезоактивного стержня.