Пьезоэлектрический приемник для гидроакустической протяженной буксируемой антенны
PIEZOELECTRIC RECEIVER FOR HYDROACOUSTIC EXTENDED TOWED ANTENNA

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к пьезоэлектрическим приемникам для буксируемых протяженных антенн.
Основная цель проектирования таких приемников - создание высокочувствительных к звуковому давлению, легко совмещаемых с несущей конструкцией антенн. При этом важно, чтобы такой приемник обладал малым удельным весом, был механически прочным к высокому внешнему гидростатическому давлению (более 7 МПа) и имел минимальную чувствительность к вибрации. Поскольку в гидроакустических протяженных буксируемых антеннах (ГПБА) бывает необходима установка до нескольких тысяч приемников на изделие, весьма важна себестоимость таких приемников и, соответственно, технологичность их изготовления.
Известны отечественные приемники давления для геофизических стримеров, являющихся разновидностью ГПБА [1], а также приемники подобной конструкции [2]. Приемники [1] содержат герметичный цилиндрический корпус, на торцах которого размешены изгибные тонкостенные пьезокерамические элементы в виде дисков, электрически включенные согласно, так что, при синфазном воздействии звукового давления электрический заряд складывается, а при вибрации закрепленного в буксируемой антенне герметичного корпуса электрический заряд на обкладках пьезоэлементов - вычитается.
Такие приемники обладают высокой чувствительностью к акустическому давлению. Однако их существенным недостатком является низкая прочность к гидростатическому давлению, что существенно ограничивает область их применения в гидроакустических антеннах.
Известен гидроакустический приемник для геофизической сейсмокосы [3], который содержит, по крайней мере, один цилиндрический пьезоэлемент внутренняя поверхность которого герметично заэкранирована воздухом и электрические выводы, на наружную поверхность пьезоэлемента с натягом установлена полиуретановая трубка, а торцы трубки герметично защемлены. Через концевые части трубки выведены электрические провода от электродов цилиндрического пьезоэлемента.
Приемник акустического давления, описанный в [3] является наиболее близким по количеству общих признаков с предлагаемым приемником.
31
Безусловными достоинствами этого приемника являются, повышенная чувствительность к акустическому давлению, близкая к расчетной [4] (сумма радиальной и торцевой чувствительности цилиндрического пьезоэлемента за счет использования пьезомодуля d) и минимальная плотность приемника столь важная при использовании в буксируемых антеннах.
Однако, приемник-прототип имеет принципиальные недостатки - ограничение по величине гидростатического давления не превышающего 4-5 Мпа, что является важнейшим требованием при применении таких приемников в гидроакустических антеннах для подводных лодок (более 7 МПа). Технологический прием вывода электрических проводов через концевые части трубки не обеспечивает при термообработке надежной герметизации пьезоэлемента. Кроме того, торцевая поверхность приемника, образованная частью эластичной тонкостенной полиуретановой трубки между цилиндрическим пьезоэлементом и швом, запаянным совместно с электрическими проводниками, будет неизбежно деформироваться под воздействием внешнего гидростатического давления, вследствие отсутствия компенсации давления во внутреннем объеме приемника, что может привести к обрыву электрических проводников. Также, при деформации («вдавливании») эластичных торцевых поверхностей приемника прототипа под действием гидростатического давления будет уменьшаться объем приемника (при сохранении массы), а значит, изменится плотность приемника. Учитываю, что в протяженных антеннах может быть установлено до нескольких тысяч приемников, изменение их плотности под действием гидростатического давления приведет к существенному изменению плавучести антенны, что недопустимо для буксируемых гидроакустических антенн.
Задачей заявленного изобретения является обеспечение возможности использования приемника малой плотности в ГПБА, работающих на больших глубинах.
Технический результат изобретения заключается в повышении устойчивости приемника к гидростатическому давлению при сохранении максимальной чувствительности и минимизации плотности приемника, а также повышение технологичности его изготовления.
3
Для достижения заявленного технического результата в пьезоэлектрический приемник гидроакустической антенны, содержащий чувствительный элемент, выполненный, по крайней мере, из одного цилиндрического пьезоэлемента, внутренняя поверхность которого герметично заэкранирована воздухом, также содержащий электрические выводы введены новые признаки, а именно: герметизация внутренней поверхности чувствительного элемента выполнена с помощью торцевых крышек, каждая из которых имеет цилиндрическую часть, сопряженную с полусферой, цилиндрическая часть каждой торцевой крышки герметично соединена с одной торцевой поверхностью чувствительного элемента, при этом толщина цилиндрической части каждой торцевой крышки равна толщине сопряженной с ней полусферы и в 3,5 раза превышает толщину цилиндрического пьезоэлемента, длина цилиндрической части каждой торцевой крышки, ее наружный радиус и наружный радиус спряженной с ней полусферы равны наружному радиусу чувствительного элемента, причем торцевые крышки выполнены из сферопластика, имеющего плотность менее 1 г/см, при этом каждая полусфера имеет герметично встроенный в нее электрический вывод, соединенный с одним из электродов чувствительного элемента.
Чувствительный элемент может быть выполнен из двух соосно расположенных цилиндрических пьезоэлементов, радиально поляризованных в противоположных направлениях, склеенных по торцам через диэлектрическую шайбу (из сферопластика) и соединенных последовательно.
Предложенная конструкция приемника позволяет реализовать в чувствительном элементе максимальную деформацию всего объема пьезоэлектрика чувствительного элемента при радиальных и осевых воздействиях звукового давления, поскольку жесткое соединение торцов чувствительного элемента с цилиндрическими участками торцевых крышек обеспечивает отсутствие «торможения» колебаний в зоне торцов чувствительного элемента и не уменьшает пьезоэффекта от радиальных колебаний, а наличие полусфер обеспечивает возникновение пьезоэффекта от продольных колебаний и максимальную прочность к гидростатическому давлению, при этом выполнение торцевых крышек из сферопластика обеспечивает минимальный удельный вес, необходимый для гидроакустических антенн с нейтральной плавучестью.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена конструкция заявленного приемника.
3
Пьезоэлектрический приемник гидроакустической антенны содержит чувствительный элемент, выполненный из двух цилиндрических пьезоэлементов 1, соединенных по торцам через диэлектрическую шайбу 2. Герметизация внутренней поверхности чувствительного элемента выполнена с помощью торцевых крышек 4 в виде цилиндров, сопряженных с полусферой, снабженных электрическими выводами 5. Цилиндрическая часть торцевых крышек 4 герметично соединена с торцевой поверхностью чувствительного элемента, при этом толщина цилиндрической части торцевых крышек в 3,5 раза больше толщины цилиндрического пьезоэлемента 1, ее высота равна наружному радиусу полусферы и наружный диаметр полусферы равен наружному диаметру цилиндрического пьезоэлемента 1. Торцевые крышки 4 выполнены из сферопластика, имеющего плотность менее 1 г/см.
3
Заявленное соотношение толщины цилиндрического пьезоэлемента и торцевой крышки, а также отношение длины ее цилиндрического участка и наружного радиуса подобрано экспериментально, а материал торцевых крышек выбран исходя из того, что сферопластик может иметь плотность менее 1 г/см, что обеспечивает минимальный удельный вес, при этом сферопластик обеспечивает необходимую устойчивость заявленного преобразователя к воздействию гидростатического давления. Эксперимент подтвердил, что механическая прочность приемника при указанных соотношениях геометрических параметров обеспечивает устойчивость к воздействию гидростатического давления до 12 МПа, при 4-5 МПа у приемника -прототипа. Чувствительность к звуковому давлению, при этом, близка к теоретической (как и у прототипа), т.е. конструкция торцевых крышек 4 не снижает ее величину.
Чувствительный элемент в данном примере выполнен из двух соосно расположенных цилиндрических пьезоэлементов 1, радиально поляризованных в противоположных направлениях, склеенных по торцам через диэлектрическую шайбу 2 из сферопластика и соединенных последовательно. Это позволяет обеспечить повышенную виброустойчивость приемника и вывести электроды 5 чувствительного элемента с наружной поверхности торцевых крышек 4, такой технологический прием вывода электрических контактов обеспечивает надежную герметизацию пьезоэлементов.
Заявленный приемник изготавливают следующим образом:
Два пьезокерамических кольца 1, склеиваются друг с другом через диэлектрическую шайбу 2, изготовленную, из сферопластика. Полярности электродов у первого и второго пьезоэлементов взаимно противоположны. Внешние электроды соединяются между собой проводниками 3, припаянными к внешним поверхностям пьезоэлементов. С торцов преобразователь закрывается крышками 4, изготовленными, из сферопластика. Торцевые крышки изготовлены методом литья и снабжены герметичными электрическими выводами 5. Электрические выводы 5 соединяются с внутренней поверхностью соответствующих колец 1 проводниками 6. Таким образом, один вывод имеет полярность «+», а другой «-». Полученная сборка герметизируется внешней оболочкой 7, выполненной, например, из полиуретана методом литья.
Предложенный приемник работает следующим образом:
При действии акустического давления в чувствительном элементе возникают радиальные и продольные колебания. Поскольку гибкость цилиндрических участков торцевых крышек существенно меньше гибкости пьезоэлектрического цилиндра, что объясняется соотношением модулей Юнга материала пьезокерамики и материала торцевой крышки, торможения торцов цилиндрического пьезоэлемента не происходит и его радиальная чувствительность реализуется полностью. При этом реализуется и чувствительность обусловленная продольными колебаниями пьезоэлектричского цилиндра из-за наличия концевых участков торцевых крышек в виде полусфер. Это обеспечивает достижение (как и у приемника - прототипа) максимальной чувствительности заявленного приемника.
13
31
31
Тангенциальные механические напряжения, возникающие на внешней поверхности чувствительного элемента одновременно приводят к сжатию-растяжению торцевых крышек, жестко связанных с внешней торцевой поверхностью чувствительного элемента, радиальному сжатию - растяжению чувствительного элемента и возникновению на электродах суммарной ЭДС, пропорциональной пьезомодулю сжатия (d) и радиальным колебаниям цилиндрического пьезоэлемента (d) Таким образом, в предлагаемой конструкции приемника реализуются радиальная и осевая составляющие пьезомодуля d, при которых происходит увеличение чувствительности в 1,3-1,4 раза по отношению к чувствительности, обусловленной только радиальными колебаниями (при заторможенной части торцов пьезоцилиндра), что близко к теоретическому значению [4].
Таким образом, в предлагаемой конструкции реализуется чувствительность не меньше, чем у приемника-прототипа, увеличивается более чем в 2 раза предел прочности к гидростатическому давлению. И полностью устраняется эффект изменения объема (деформацию) от изменения величины воздействующего гидростатического давления.
Все изложенное выше позволяет считать, что заявленный результат достигнут.
Источники информации
1 -Рекламный проспект ОАО «ЭЛЛА» info@ elpapiezo.ru.
2 - Рекламный проспект Geopoint Hydrothon фирмы Benhtos inc. Huston.
3 - Гидроакустический приемник для геофизической сейсмокосы. Патент РФ на изобретение №2626812 Опубликовано: 01.08.2017.
4 - Ананьева А.А. Керамические приемники звука изд. Академии наук СССР 1963 г.