ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Настоящая полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к подводным электроакустическим преобразователям пьезоэлектрического типа. Данная полезная модель может быть использована в качестве излучателя и приемника ультразвуковых сигналов в составе устройств подводной связи, телеметрии и телеуправления.
Из анализа уровня техники известны цилиндрические пьезокерамические преобразователи силовой конструкции (Справочник по гидроакустике А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А. Корепин и др. - Л.: Судостроение, 1988, стр. 267) состоящие из корпуса, токовводов, электроизоляции, активного элемента и акустического экрана. Также подобные конструкции описаны в патентах US 3706967 А, 1972-12-19 и US 3691305 А, 1976-06-01.
Известен другой аналогичный преобразователь («Пьезокерамические цилиндрические преобразователи для систем подводной связи» А.А. Селищев // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции «Научное и техническое обеспечение исследований и освоение шельфа Северного Ледовитого океана», Новосибирск, 2010, стр. 97-100), принимаемый за прототип, который содержит корпус, опорную втулку (снабженную внутренней резьбой), пьезоэлементы, армирующий винт, звукоизолирующие прокладки, звукопрозрачный обтекатель.
Основной недостаток преобразователя-прототипа - небольшая ширина рабочей полосы частот, находящаяся на уровне (15-20)% от резонансной частоты. Этот недостаток выявился в ходе испытаний макетов при передаче и приеме цифровых данных каналом связи на мелководье с выраженным эффектом «пропадания» сигнала. В прототипе были приняты меры для расширения диапазона рабочих частот, например, для снижения добротности колебательной системы монолитный активный элемент был заменен на пакет из 6 пьезоэлементов, между которыми установлены звукоизолирующие прокладки. Однако указанные усовершенствования оказались недостаточными для достижения полосы на уровне (30-50) %.
Задача настоящей полезной модели заключается в создании пьезоэлектрического цилиндрического гидроакустического преобразователя, лишенного вышеуказанного недостатка.
Технический результат заключается в расширении рабочей полосы частот за счет оптимального размера пьезоэлемента, толщины и формы звукопрозрачного обтекателя.
нap
Поставленная задача решается при помощи пьезоэлектрического цилиндрического гидроакустического преобразователя, содержащего корпус, опорную втулку (снабженную внутренней резьбой), пьезоэлементы, звукоизолирующие прокладки, армирующий винт, звукопрозрачный обтекатель и токовводы. При этом высота пьезоэлемента h по сравнению с наружным диаметром пьезоэлемента d выбирается из соотношения:
Толщина звукопрозрачного обтекателя t в месте расположения пьезоэлемента определяется как:
об
0
где λ - длина звуковой волны в материале звукопрозрачного обтекателя на центральной частоте рабочего диапазона f пьезоэлектрического цилиндрического гидроакустического преобразователя. Эта частота определяется частотой основного радиального резонанса пьезоэлементов.
0
Выполнение соотношения (1) позволяет избежать возникновения связанных радиальных и продольных колебаний пьезоэлементов, выполненных в виде цилиндрических колец. Известно (Г.М. Свердлин «Гидроакустические преобразователи и антенны», - Л.: Судостроение, 1988, стр. 113), что для пьезоэлементов, выполненных в виде тонких цилиндрических колец, на радиальном резонансе длина продольной волны λ равна длине средней окружности цилиндрического кольца
cp
где d=диаметр средней окружности пьезоэлемента, выполненного в виде тонкого цилиндрического кольца.
о
При этом продольный резонанс по высоте h тонкого цилиндрического кольца наступает, если h=λ/2.
Таким образом, если выбрать высоту пьезоэлемента, выполненного в виде тонкого цилиндрического кольца в 3 раза меньше резонансного размера
cp
то можно исключить появление связных радиальных и продольных колебаний пьезоэлемента. Дополнительным упрощением соотношения (4) является использование определения тонкого кольца, для которого толщина δ<<d.
нap
cp
cp
Тогда, исходя из приближенного равенства, d=2δ+d≈d средний диаметр при расчетах заменить на наружный.
Выполнение соотношения (2), как показали эксперименты, создает условие, при котором толщина обтекателя существенно не влияет на ширину полосы АЧХ преобразователя, так как волновые размеры оболочки становятся значительно меньше длины волны. При этом, из-за уменьшения наружного диаметра обтекателя, в средней части преобразователя (над пьезоэлементами), в двух местах возникает ступенчатый переход, который необходимо сгладить лекальной формой обтекателя для улучшения обтекаемости формы преобразователя и устранения возможных дифракционных эффектов.
На фиг. 1 изображена конструктивная схема пьезоэлектрического цилиндрического гидроакустического преобразователя.
Пьезоэлектрический цилиндрический гидроакустический
преобразователь состоит из корпуса 1, опорной втулки (снабженной внутренней резьбой) 2, пьезоэлементов 3, звукоизолирующих прокладок 4, армирующего винта 5, звукопрозрачного обтекателя 6 и токовводов (разъема) 7.
При работе предлагаемого технического решения электрические сигналы подаются на разъем 7 и по проводам внутреннего электрического монтажа передаются на пьезоэлементы 3, которые возбуждаются в рабочем диапазоне частот. Звукоизолирующие прокладки 4 развязывают пьезоэлементы друг от друга при возникновении колебаний. Основа конструкции корпус 1, прочность пьезоэлементов обеспечивается армированием пьезоэлементов винтом 5 и опорной втулкой 2.
Герметизирующий обтекатель 6 защищает устройство от воздействия окружающей среды.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели.
Изготовлена опытная партия предлагаемого гидроакустического преобразователя, которая показала свою работоспособность при гидроакустическом давлении не менее 5 атм. Получены чувствительности в режимах излучения  на 1 м и приема  при ширине полосы не менее 30%.