Гидроакустический излучатель

 

Использование: в гидроакустике. Сущность изобретения: излучатель содержит активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб с поляризацией по высоте, помещенной между конической фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего радиуса конической фронтальной накладки, первый набор кольцевых прокладок из акустически жесткого материала и второй набор кольцевых прокладок из акустически мягкого материала, причем прокладки данных наборов расположены в шахматном порядке между фронтальной накладкой, стержневым активным элементом и его пьезокерамическими шайбами. Прокладки первого и второго наборов, расположенные между фронтальной накладкой и стержневым активным элементом, выполнены гибкими, а резонансная частота системы гибкая прокладка - фронтальная коническая накладка f = (0,65 - 0,7)f , где f - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента. В первом наборе внешний диаметр кольцевых прокладок равен внешнему диаметру пьезокерамических шайб, а во втором наборе внутрений диаметр кольцевых прокладок равен внутреннему диаметру пьезокерамических шайб. Отношение радиуса большого основания фронтальной конической накладки к радиусу ее меньшего основания равно 4 - 4,5. Высота всех кольцевых прокладок составляет 0,2 высоты пьезокерамических шайб, а площадь поперечного сечения всех кольцевых прокладок составляет 0,1 площади поперечного сечения пьезокерамических шайб. 3 ил.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке высокоэффективных низкочастотных излучателей малых размеров, обладающих направленностью.

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

Недостатком такого излучателя является низкая чувствительность при использовании массивных частотопонижающих накладок и отсутствие направленности излучения. Одна частотопонижающая накладка позволяет понизить частоту не более, чем вдвое, однако ее масса при этом должна превышать массу активного элемента примерно в 3 раза.

Известен также гидроакустический излучатель, содержащий 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 радиуса конической фронтальной накладки (авт. св. СССР N 759148, кл. B 06 B 1/06, 1978).

Данный излучатель является наиболее близким аналогом изобретения.

Недостатком этого известного излучателя являются низкая чувствительность и КПД, а также недопустимо большие размеры и вес на низких частотах.

Целью изобретения является понижение резонансной частоты излучателя без увеличения его размеров и повышение его КПД.

Цель достигается тем, что в него введены первая группа кольцевых прокладок из акустически жесткого материала и вторая группа кольцевых прокладок из акустически мягкого материала, причем прокладки первой и второй групп расположены в шахматном порядке друг относительно друга между конической фронтальной накладкой, стержневым активным элементом и пьезокерамическими шайбами стержневого активного элемента с образованием двух наборов.

В первом наборе внешний диаметр кольцевых прокладок равен внешнему диаметру пьезокерамических шайб, а во втором - внутренний диаметр кольцевых прокладок равен внутреннему диаметру пьезокерамических шайб. Площадь каждой кольцевой прокладки равна 0,1 площади пьезокерамических шайб. Прокладки первого и второго наборов, расположенные между конической фронтальной накладкой и стержневым активным элементом, выполнены гибкими.

Высота каждой кольцевой прокладки составляет 0,2 высоты пьезокерамических шайб, а резонансная частота системы гибкие прокладки - фронтальная коническая накладка f_рез = (0,65-0,7)f₁, где f₁ - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента.

Введение двух наборов чередующихся в шахматном порядке кольцевых прокладок из акустически жесткого и акустически мягкого материала позволило одновременно понизить резонансную частоту активного элемента и повысить эффективный коэффициент электромеханического преобразования. Объясняется это тем, что кольцевые прокладки из акустически жесткого и мягкого материалов деформируются различным образом, а при их расположении в шахматном порядке в дополнение к продольным деформациям сжатия - растяжения, характерным для основной моды колебаний излучателя, добавляются сдвиговые деформации и кручения поперечного сечения пьезокерамической шайбы как единого целого, что в целом означает увеличение продольной гибкости активного элемента и уменьшение его резонансной частоты f₁.

Введение кольцевых прокладок из акустически жесткого материала, например из титана, приводит к увеличению эффективного коэффициента электромеханического преобразования, который довольно быстро убывает при увеличении гибкости прокладок. Экспериментальные оценки показывают, что эффективная скорость звука в стержневом активном элементе понижается примерно вдвое, а эффективный коэффициент электромеханического преобразования увеличивается вдвое по сравнению с прототипом, а сам активный элемент с предлагаемым набором кольцевых прокладок работает подобно пьезоэлектрической пружине.

Для сохранения эффективности работы излучателя в целом необходимо скомпенсировать уменьшение активной составляющей сопротивления излучения соответствующим увеличением размера излучающей поверхности фронтальной конической накладки. Так, при уменьшении рабочей частоты излучателя в 2 раза активная составляющая сопротивления излучения уменьшается в 4 раза, а для компенсации этого уменьшения размер излучающей поверхности нужно увеличить в раз, т.е. в сравнении с прототипом коэффициент формы должен быть увеличен в раз до значения N = 4-4,5.

На фиг.1 схематически изображен гидроакустический излучатель с указанием фазы создаваемого звукового давления; на фиг.2 изображен активный элемент в недеформированном состоянии; на фиг.3 - активный элемент в деформированном состоянии.

Излучатель содержит активный элемент 1, фронтальную коническую накладку 2, соединенную с активным элементом 1 через гибкие прокладки 3, тыльную накладку 4 и стягивающий болт с гайкой (на чертеже не показаны). Боковая поверхность излучателя и торцовые соединения герметизированы (на чертеже элемент герметизации не показан) и нагружены на рабочую среду.

Активный элемент 1 (см. фиг.2) содержит набор пьезокерамических шайб 5, поляризованных по высоте, первый набор чередующихся кольцевых прокладок 6 из акустически жесткого материала и прокладок 7 из акустически мягкого материала и второй набор чередующихся кольцевых прокладок 6', 7' соответственно.

Излучатель работает следующим образом.

При подаче электрического напряжения на пьезоэлектрические шайбы 5 активного элемента 1 в нем возбуждаются механические колебания, резонансная частота которых определяется как параметрами активного элемента 1, так и реактивной составляющей входного импеданса накладок. Основная мода колебаний активного элемента 1 с накладками близка к продольной, однако в силу асимметрии нагружения пьезокерамической шайбы 5 в местах соединения с акустически жесткой и акустически мягкой прокладками 6,7, к продольным смещениям добавляются сдвиговые смещения и кручение поперечного сечения шайбы 5 как единого целого, т.е. весь активный элемент 1 работает как пьезоэлектрическая пружина, продольная гибкость которой существенно больше модуля гибкости пьезокерамики. Увеличение продольной гибкости активного элемента 1 означает уменьшение резонансной частоты всего излучателя при сохранении его габаритных размеров.

При резонансных колебаниях излучателя распределение смещений по его длине близко к четвертьволновому с минимумом амплитуды колебательной скорости на излучающем торце конической накладки, при этом объемные колебательные скорости на обоих излучающих торцах примерно одинаковы, при выбранном коэффициенте формы N = 4-4,5 направлены в одну сторону.

Осевые колебания вызывают также радиальные колебания боковой поверхности излучателя, при этом фаза создаваемого радиальными колебаниями давления совпадает с фазой давления на излучающем торце конической накладки и противоположна фазе давления, создаваемого тыльной накладкой, что в совокупности способствует формированию направленного излучения, максимум которого соответствует фронтальному излучению конической накладки.

Таким образом, в заявленном гидроакустическом излучателе резонансный размер вдвое меньше, а эффективный коэффициент электромеханического преобразования вдвое больше по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, содержащий 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 радиуса конической фронтальной накладки, отличающийся тем, что в него введены группа кольцевых прокладок из акустически жесткого материала и группа кольцевых прокладок из акустически мягкого материала, причем прокладки первой и второй групп расположены в шахматном порядке между конической фронтальной накладкой, стержневым активным элементом и пьезокерамическими шайбами стержневого активного элемента с образованием двух наборов, в первом наборе внешний диаметр кольцевых прокладок равен внешнему диаметру пьезокерамических шайб, во втором наборе внутренний диаметр кольцевых прокладок равен внутреннему диаметру пьезокерамических шайб, отношение радиуса большего основания фронтальной конической накладки к радиусу ее меньшего основания равно 4 - 4,5, высота кольцевых прокладок первого и второго наборов составляет 0,2 высоты пьезокерамических шайб, а площадь их поперечного сечения 0,1 площади поперечного сечения пьезокерамических шайб, при этом прокладки, расположенные между конической фронтальной накладкой и стержневым активным элементом, выполнены гибкими, а частота системы гибкие прокладки - фронтальная коническая накладка f_рез. = (0,65 - 0,7)f₁, где f₁ - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3