Гидроакустический преобразователь

 

Использование: гидроакустика. Сущность изобретения: преобразователь состоит из блока возбуждения и механической части. Блок возбуждения преобразователя содержит синхронизатор, цепочку ждущих мультивибраторов, цепочку генераторов импульсов, каждый из которых нагружен на соответствующий активный элемент преобразователя, цепочку дополнительных ждущих мультивибраторов, связанных через мультивибратор задержки с последним из ждущих мультивибраторов, цепочку расширителей импульсов, цепочку электронных ключей и цепочку электрических нагрузок. Механическая часть преобразователя содержит набор активных элементов, фронтальную накладку, тыльную экранирующую накладку и конический экранирующий рефлектор. 2 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке высокоэффективных направленных импульсных излучателей.

Известен гидроакустический излучатель (патент США N 4633119, кл. Е 01 L 41/08, 1986), содержащий набор жестко связанных между собой активных элементов, герметизированных по боковой поверхности, излучающую и тыльную накладки.

Известен преобразователь (патент Великобритании N 2164226, кл. Н 04 R 17/00, 1986), содержащий N идентичных соосно расположенных активных элементов в виде пьезоэлементов с электродами, фронтальную излучающую накладку, тыльную экранирующую накладку и блок возбуждения, причем пьезоэлектрические элементы поляризованы по высоте, один из электродов каждого элемента связан с земляной шиной, а другой подключен к блоку возбуждения, при этом электроды расположены перпендикулярно оси симметрии преобразователя.

Данный преобразователь выбран в качестве прототипа.

Его недостатком является невозможность формирования направленного излучения на низких частотах.

Задачей изобретения является создание преобразователя, который бы осуществлял формирование однонаправленного излучения в импульсном режиме и формирование импульсного излучения минимальной длительности.

Поставленная задача решается тем, что активные элементы установлены внутри введенного конического экранирующего рефлектора, а блок возбуждения выполнен в виде синхронизатора, N генераторов импульсов, N ждущих мультивибраторов с длительностью импульса, равной времени распространения акустического сигнала через соответствующий активный элемент, N расширителей импульсов, N электронных ключей и N электрических нагрузок, N дополнительных ждущих мультивибраторов, мультивибратора задержки. Рефлектор жестко соединен по сечению малого диаметра с тыльной экранирующей накладкой и обращен сечением большого диаметра в сторону излучающей фронтальной накладки. Каждый активный элемент выполнен в виде герметизированного по боковой поверхности набора жестко связанных пьезоэлектрических шайб и гибких кольцевых прокладок, причем из активных элементов образован излучатель бегущей волны, в котором скорость звука равна скорости звука в воде. Механическое сопротивление излучающей фронтальной накладки равно механическому сопротивлению активных элементов. Выходы генераторов импульсов подключены к соответствующим активным элементам. Вход первого ждущего мультивибратора соединен с выходом синхронизатора, а вход каждого последующего - с первым входом предыдущего. Второй выход каждого ждущего мультивибратора соединен с входом соответствующего генератора импульсов. Вход мультивибратора задержки соединен с выходом N-го ждущего мультивибратора, а выход - с входом N-го дополнительного ждущего мультивибратора, первые выходы дополнительных ждущих мультивибраторов соединены с входами соответствующих расширителей импульсов, второй выход каждого дополнительного ждущего мультивибратора, начиная с N-го, соединен с входом предыдущего дополнительного ждущего мультивибратора, выход N-го расширителя импульсов соединен с первым входом соответствующего электронного ключа, вторые входы ключей подключены к соответствующим активным элементам, а выходы - к соответствующим электрическим нагрузкам.

В таком конструктивном исполнении преобразователь излучает в рабочую среду, как герметизированной боковой поверхностью активных элементов, так и фронтальной излучающей накладкой, формируя направленное излучение. При этом благодаря выполнению активных элементов в виде "мелкослоистой среды" (пьезокерамика и прокладки из сферопластика), в которой скорость звука равна скорости звука в воде, направленность излучения наибольшая, а снижение (уменьшение) эффективного коэффициента электромеханической связи минимально. Выполнение блока возбуждения позволяет осуществить синхронное усиление акустического сигнала типа бегущей волны при его распространении в активных элементах преобразователя в обратном направлении без излучения, а при распространении в прямом, т.е. направлении излучения, согласовать его с излучением боковой поверхностью и фронтальной накладкой. Для повышения эффекта гашения паразитных многократно отраженных акустических сигналов внутри преобразователя, т.е. для уменьшения длительности формируемого акустического сигнала, фронтальный активный элемент с механическим сопротивлением , с, s (где - эффективная плотность, с - эффективная скорость звука и s - площадь поперечного сечения) излучает в рабочую среду через согласующую фронтальную излучающую накладку, входное механическое сопротивление которой равно механическому сопротивлению активного элемента. Кроме того, дополнительное гашение паразитных сигналов происходит путем подключения к активным элементам согласованных электрических нагрузок с помощью электронных ключей, управляемых дополнительно введенными ждущими мультивибраторами и расширителями импульсов, в момент после прохождения N-кратно усиленного акустического импульса через каждый активный элемент в прямом направлении.

При этом цепочка дополнительных ждущих мультивибраторов запускается импульсом мультивибратора задержки, длительность которого равна времени пробега акустического сигнала через тыльную экранирующую накладку в прямом и обратном направлениях.

В итоге паразитные сигналы в преобразователе эффективно гасятся за счет как акустического, так и электрического демпфирования согласованными нагрузками, а тыльное и боковое излучения гасятся экранами.

На фиг.1 изображена структурная схема блока возбуждения преобразователя; на фиг.2 - механическая часть преобразователя.

Блок возбуждения преобразователя содержит синхронизатор С, цепочку ждущих мультивибраторов М₁-М_N, цепочку генераторов импульсов Г₁-Г_N, каждый из которых нагружен на соответствующий активный элемент АЭ₁-АЭ_Nпреобразователя, цепочку дополнительных ждущих мультивибраторов М₁'-M_N', связанных через мультивибратор задержки МЗ с последним из ждущих мультивибраторов М_N, цепочку расширителей импульсов Р₁-Р_N, цепочку электронных ключей К₁-К_N и цепочку электрических нагрузок Z₁-Z_N.

Механическая часть преобразователя содержит набор активных элементов АЭ₁-АЭ_N, фронтальную излучающую накладку 1, тыльную экранирующую накладку 2 и конический экранирующий рефлектор 3.

Преобразователь работает следующим образом.

Синхронизатор С, вырабатывающий тактовые импульсы, запускает первый из идентичных ждущих мультивибраторов М₁, который вырабатывает импульс длительностью, равной времени распространения акустического сигнала через активный элемент. Передний фронт этого импульса запускает генератор импульсов Г₁, выход которого соединен с первым активным элементом АЭ₁ преобразователя, с первым входом электронного ключа К₁, находящегося в закрытом состоянии. Задний фронт импульса запускает следующий ждущий мультивибратор М₂ с задержкой, равной времени распространения акустического сигнала через активный элемент. Второй ждущий мультивибратор М₂ вырабатывает импульс, передний фронт которого запускает второй генератор импульсов Г₂, нагруженный на второй активный элемент АЭ₂, а задний - следующий ждущий мультивибратор и т.д.

Упругие импульсы, возбуждаемые последовательно во времени в активных элементах преобразователя, суммируются синфазно при их распространения в обратном направлении от первого активного элемента к тыльному и частично излучаются в рабочую среду через фронтальную накладку, но без синфазного их усиления. Усиленный N-кратно акустический сигнал, отразившись от тыльной экранирующей накладки 2, распространяется в прямом направлении и формирует направленное излучение за счет излучения боковой поверхностью и фронтальной излучающей накладкой 1, причем скорость распространения акустического сигнала в активных элементах преобразователя равна скорости звука в воде, чем достигается высокая направленность излучения.

После отражения N-кратно усиленного акустического импульса от тыльной экранирующей накладки 2 и при его распространении в прямом направлении происходит также формирование длительности акустического импульса.

В момент прохождения переднего фронта акустического импульса при его распространении в прямом направлении через правый (фиг.1) торец N-го активного элемента задний фронт импульса мультивибратора задержки запускает N-й дополнительный ждущий мультивибратор М_N', вырабатывающий импульс, длительность которого равна времени пробега акустического сигнала через активный элемент. Задний фронт этого импульса запускает N-й расширитель импульсов Р_N, открывающий электронный ключ К_N, который подключает к N-му активному элементу согласованную с ним электрическую нагрузку Z_N, при этом собственные колебания активного элемента эффективно демпфируются в течение времени, равного длительности импульса расширителя Р_N, а длительность акустического сигнала примерно равна времени его пробега через активный элемент.

В момент прохождения переднего фронта акустического импульса через правый торец (N-1)-го активного элемента задний фронт импульса N-го дополнительного ждущего мультивибратора запускает (N-1)-й дополнительный ждущий мультивибратор, который через время, равное времени пробега акустического импульса через активный элемент, подключит к нему через управляемый электронный ключ К_N-2 соответствующую согласованную нагрузку Z_N-1 и т.д. В результате длительность акустического импульса, излучаемого в рабочую среду, не увеличивается переходными процессами и определяется примерно временем его пробега через активный элемент.

В момент прохождения акустического импульса через правый торец фронтальной излучающей накладки происходит его частичное отражение, однако уровень отраженного сигнала сделан минимальным, так как механический импеданс активного элемента равен входному механическому импедансу фронтальной накладки, а сам отраженный сигнал при его распространении в преобразователе в обратном направлении эффективно поглощается подключенными к активным элементам согласованными электрическими нагрузками в течение всего времени существования многократных переотражений.

Формула изобретения

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий N идентичных соосно расоположенных активных элементов в виде пьезоэлементов с электродами, фронтальную излучающую накладку, тыльную экранирующую накладку и блок возбуждения, причем пьезоэлектрические элементы поляризованы по высоте, один из электродов каждого элемента связан с земляной шиной, а другой подключен к блоку возбуждения, при этом электроды расположены перпендикулярно к оси симметрии преобразователя, отличающийся тем, что активные элементы установлены внутри введенного конического экранирующего рефлектора, жестко соединенного по сечению малого диаметра с тыльной экранирующей накладкой и обращенного сечением большого диаметра в сторону излучающей фронтальной накладки, каждый из активных элементов выполнен в виде герметизированного по боковой поверхности чередующегося набора жестко связанных между собой пьезоэлектрических шайб и гибких кольцевых прокладок, а блок возбуждения выполнен в виде синхронизатора, N ждущих мультивибраторов с длительностью импульсов, равной времени распространения акустического сигнала через соответствующий активный элемент, N генераторов импульсов, мультивибратора задержки, N дополнительных ждущих мультивибраторов, N расширителей импульсов, N электронных ключей и N электрических нагрузок, причем скорость звука в материалах активных элементов равна скорости звука в воде, механическое сопротивление излучающей фронтальной накладки равно механическому сопротивлению активных элементов, выходы генераторов импульсов подключены к соответствующим активным элементам, вход первого ждущего мультивибратора соединен с выходом синхронизатора, а вход каждого последующего - с первым выходом предыдущего, второй выход каждого ждущего мультивибратора - с входом соответствующего генератора импульсов, вход мультивибратора задержки соединен с выходом N-го ждущего мультивибратора, а выход - с входом N-го дополнительного ждущего мультивибратора, первые выходы дополнительных ждущих мультивибраторов соединены с входами соответствующих расширителей импульсов, второй выход каждого дополнительного ждущего мультивибратора, начиная с N-го, соединен с входом предыдущего дополнительного ждущего мультивибратора, выход N-го расширителя импульсов - с первым входом соответствующего электронного ключа, вторые входы ключей подключены к соответствующим активным элементам, а выходы - к соответствующим электрическим нагрузкам.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2