ПРОДОЛЬНО-ИЗГИБНЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
BENDING HYDROACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в качестве излучателя в антеннах для гидроакустических буев, в гибких протяженных буксируемых излучающих гидроакустических антеннах, для звукоподводной связи, в составе гидроакустических модемов и системах освещения подводной обстановки.
Излучение известных продольно-изгибных низкочастотных преобразователей производится за счет изгибных колебаний корпуса, возбуждаемого продольными колебаниями активного элемента.
Известны низкочастотные продольно-изгибные гидроакустические преобразователи, содержащие активный стержневой элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус бочкообразной формы, имеющий максимальный диаметр на торцах, а минимальный на половине высоты, торцевые крышки и герметизирующее покрытие (см., например, патенты US 4922470, US 5136556). Недостатками указанных низкочастотных продольно-изгибных гидроакустических преобразователей являются, с одной стороны, проблемы, связанные с необходимостью герметизации, низкая добротность при использовании резины и полиуретана для герметизации, а с другой стороны, низкая устойчивость к внешнему гидростатическому давлению и низкая надежность (малая наработка на отказ).
Недостатки известных продольно-изгибных низкочастотных преобразователей в значительной мере связаны с высокими динамическими и статическими напряжениями в ряде точек корпуса, а также снижением электроакустического КПД преобразователя при герметизации с помощью резины и полиуретана, сложностью обеспечения осевой симметрии корпуса преобразователя при подобных операциях и вызываемого этим разброса его электроакустических параметров и необходимостью дополнительной настройки.
Частично от указанных выше недостатков свободен выбранный в качестве прототипа низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь, известный из патента на полезную модель RU №81104 (дата приоритета 27.10.2008, МПК В06В 1/06, H04R 17/00), содержащий армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус бочкообразной формы с аксиальными профильными прорезями на боковой поверхности, имеющий максимальный диаметр на торцах, минимальный на середине высоты, и переменную по высоте толщину стенки, уменьшающуюся к центру, торцевые крышки и герметизирующее покрытие, причем образующие внутренней и внешней поверхности корпуса являются параболами с меньшим и большим радиусами кривизны соответственно.
Переменная по высоте корпуса толщина стенки увеличивает надежность прототипа вследствие уменьшения механических напряжений в его корпусе, а форма образующих в виде парабол, как имеющая наименьшее изменение радиуса кривизны при действии внешнего гидростатического давления, повышает его устойчивость к воздействию внешнего гидростатического давления и, наряду с размерами и жесткостью материала корпуса, определяет резонансную частоту преобразователя.
Недостатками прототипа, тем не менее, остаются достаточно низкая устойчивость к внешнему гидростатическому давлению из-за необходимости герметизации аксиальных профильных прорезей на боковой поверхности, которые выполнены для уменьшения жесткости корпуса в поперечном направлении с целью осуществлять излучение в низкочастотных диапазонах, сложность нанесения гидроизолирующего покрытия и возникающие вследствие этого разброс электроакустических параметров при изготовлении нескольких одинаковых преобразователей, а также низкий электроакустический КПД и снижение максимальной удельной акустической мощности (максимальной акустической мощности, приведенной к единице объема преобразователя).
Указанные недостатки объясняются тем, что при сборке преобразователя практически невозможно обеспечить идентичные условия герметизации (нанесения герметизирующего покрытия и установки элементов, закрывающих аксиальные профильные прорези корпуса), кроме того, ввиду поглощения энергии в элементах, устанавливаемых для герметизации понижающих резонансную частоту прорезей корпуса, при электроакустическом преобразовании происходит потеря энергии и понижение электроакустического КПД преобразователя.
Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются: увеличение электроакустического КПД, повышение максимальной удельной акустической мощности преобразователя по сравнению с прототипом при тех же габаритах корпуса, увеличение надежности (наработки на отказ), повышение устойчивости к внешнему гидростатическому давлению, уменьшение разброса параметров, а также упрощение сборки и настройки преобразователя.
Эффект достигается тем, что продольно-изгибный гидроакустический преобразователь содержит активный элемент, расположенный между торцевыми крышками в корпусе с бочкообразной боковой стенкой, включающем в себя также фланцы, удерживающие торцевые крышки, и имеющем переменную вдоль продольной оси симметрии толщину бочкообразной боковой стенки.
Новым является то, что бочкообразная боковая стенка герметично выполненного корпуса, имеющая максимальные средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах, гофрирована вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к фланцам.
Новым в частном случае реализации изобретения по п. 2 формулы является то, что расстояние от продольной оси симметрии до внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса в поперечном сечении описывается выражением
R=r(z)+A(z)cos(n ϕ),
где ϕ (рад) - угол поворота в плоскости сечения, проходящей через продольную ось симметрии корпуса, r(z) (мм) - среднее расстояние от продольной оси симметрии до внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса в поперечном сечении, отстоящем на z (мм) от середины продольной оси симметрии, A(z) (мм) - амплитуда гофрирования, убывающая к фланцам (0<A(z)<0,2r(0)), n - число периодов гофрирования, выбираемое в зависимости от требуемых характеристик преобразователя, причем толщина бочкообразной боковой стенки в каждом поперечном сечении корпуса постоянна.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлен продольно-изгибный гидроакустический преобразователь (вид сверху, продольный и два поперечных разреза).
На фиг. 2 приведена фотография одного из возможных видов преобразователя.
На фиг. 3 приведен пример гофрирования бочкообразной боковой стенки преобразователя в соответствии с п. 2 формулы.
Предложенный продольно-изгибный гидроакустический преобразователь (см. фиг. 1, 2) содержит активный элемент 1, расположенный в корпусе 2 с бочкообразной боковой стенкой 3, включающем в себя также фланцы 4, между торцевыми крышками 5. Торцевые крышки 5 являются армирующим элементом и могут иметь отверстия для пропуска транзитных проводов, пролегающих во внутренней полости преобразователя. Корпус 2, включающий в себя фланцы 4, в отличие от корпуса прототипа, выполнен герметичным. Бочкообразная боковая стенка 3 выполнена с переменной вдоль продольной оси симметрии преобразователя толщиной, причем ее толщина в каждом поперечном сечении корпуса 2 постоянна (см. сечения А-А и Б-Б на фиг. 1) и имеет максимальные средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах. Бочкообразная боковая стенка 3 гофрирована вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к фланцам 4.
Предложенный низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический преобразователь работает следующим образом. При продольных колебаниях активного элемента 1, изменяющего свои размеры в направлении продольной оси преобразователя, возвратно-поступательные колебания фланцев 4 корпуса 2 преобразуются в колебания бочкообразной боковой стенки 3, в результате чего система «активный элемент 1 - корпус 2» совершает изгибные механические колебания, возбуждая упругие колебания окружающей среды.
В отличие от прототипа, в котором для понижения рабочих частот преобразователя уменьшение поперечной жесткости корпуса осуществлено за счет продольных прорезей в корпусе, в предлагаемом устройстве существенное понижение жесткости происходит ввиду равномерного распределения механического напряжения по излучающей поверхности (бочкообразной боковой стенке 3) преобразователя. Это достигается гофрированием бочкообразной боковой стенки 3 корпуса 2 с переменной вдоль продольной оси симметрии преобразователя амплитудой гофрирования при определенных соотношениях толщины бочкообразной боковой стенки 3 и поперечного размера корпуса 2. Равномерное распределение механического напряжения по всей поверхности преобразователя обеспечивает гофрированная форма корпуса 2, и дополнительно, как и в прототипе, переменная вдоль продольной оси симметрии преобразователя толщина бочкообразной боковой стенки 3. Более равномерное распределение нагрузки по сравнению с прототипом и герметичность корпуса 2 увеличивают электроакустический КПД и повышают максимальную удельную акустическую мощность преобразователя, а также обеспечивают большую устойчивость предлагаемого преобразователя к внешнему гидростатическому давлению.
Кроме того, за счет того что корпус 2 выполнен герметичным, предлагаемый преобразователь исключает недостатки прототипа, связанные с необходимостью герметизации элементов его корпуса 2, т.е. разброс электроакустических параметров изготавливаемых преобразователей и потери энергии при электроакустическом преобразовании (повышает электроакустический КПД), а также обладает простотой сборки.
Наилучший результат в соответствии с п. 2 формулы достигается в том случае, когда бочкообразная боковая стенка 3 корпуса 2 в поперечном по отношению к продольной оси симметрии корпуса 2 сечении имеет постоянную толщину, расстояние от продольной оси симметрии до внешней поверхности бочкообразной боковой стенки 3 корпуса 2 в поперечном сечении описывается выражением
R=r(z)+A(z)cos(n ϕ),
где ϕ (рад) - угол поворота в плоскости сечения, проходящей через продольную ось симметрии корпуса 2, r(z) (мм) - среднее расстояние от продольной оси симметрии до внешней поверхности бочкообразной боковой стенки 3 корпуса 2 в поперечном сечении, отстоящем на z (мм) от середины продольной оси симметрии, A(z) (мм) - амплитуда гофрирования, убывающая к фланцам (0<A(z)<0,2 r(0)), n - число периодов гофрирования, выбираемое в зависимости от требуемых характеристик преобразователя (см. фиг. 3).
Такая форма бочкообразной боковой стенки 3 позволяет обеспечить наиболее равномерное распределение механических напряжений в материале корпуса 2, что позволяет максимально понизить рабочий диапазон частот преобразователя, достигать большего электроакустического КПД, обеспечивая устойчивость к внешнему гидростатическому давлению, повысить значение максимальной удельной акустической мощности и увеличить надежность преобразователя (наработку на отказ).
Можно отметить еще, что поскольку резонансную частоту излучателя, в отличие от прототипа, определяют только форма и размеры корпуса 2, предлагаемый преобразователь способен осуществлять работу как в низкочастотном, так и в высокочастотном диапазонах. Активный элемент 1 в предлагаемом преобразователе может быть любым, выполняющим преобразование электрических колебаний в возвратно-поступательные колебания торцевых крышек 5, передаваемых фланцам 4 корпуса 2.
3
Прототип (см. Андреев М.Я., Боголюбов Б.Н., Клюшин В.В., Рубанов И.Л. Низкочастотный малогабаритный продольно-изгибный электроакустический преобразователь // Датчики и системы, 2010. №12. С. 51-55) при размерах 134×54 мм (длина × максимальный диаметр) и весом 1 кг имеет чувствительность на излучение до 1,7 Па⋅м/В в диапазоне 1,4-1,7 кГц, максимальную акустическую мощность 70 Вт, электроакустический КПД около 35%, устойчив к внешнему гидростатическому давлению до 30 МПа (что соответствует глубине 300 м). Разброс параметров при изготовлении корпуса и сборке преобразователя может достигать более 15%. Максимальная удельная акустическая мощность составляет 220-250 кВт/м.
3
Испытания предложенного бочкообразного преобразователя с 14 волнами гофрирования и весом 0,87 кг с корпусом размером 86×90 мм (длина × максимальный диаметр) показали, что преобразователь обладает набором рабочих частот от 1,6 до 43 кГц, имеет чувствительность на излучение до 2 Па⋅м/В в диапазоне 1,7-2,3 кГц, максимальную акустическую мощность около 100 Вт, электроакустический КПД более 60%, обеспечивает устойчивость к внешнему гидростатическому давлению до 50 МПа (что соответствует глубине 500 м). Разброс параметров при изготовлении корпуса и сборке преобразователя составляет менее 5%. Максимальная удельная акустическая мощность составляет более 380 кВт/м.
Таким образом, предлагаемый преобразователь, по сравнению с прототипом, обладает большим электроакустическим КПД, большей развиваемой удельной акустической мощностью, большей устойчивостью к внешнему гидростатическому давлению, меньшим разбросом параметров и прост в сборке и настройке.