ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СТЕРЖНЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ROD-SHAPED PIEZOELECTRIC TRANSDUCER

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано при конструировании многоэлементных дискретных гидроакустических антенн.
При разработке гидроакустической аппаратуры важное место занимает вопрос минимизации массогабаритных размеров создаваемых приборов наряду с обеспечением высокого качества их характериcтик.
Известны конструкции стержневых электроакустических преобразователей, которые для уменьшения их продольного размера снабжены передней и тыльной пассивными накладками (см., например, [1] стр.98, рис.6.1а, б). Такие преобразователи, как правило, содержат активный элемент, выполненный в виде набора пьезокерамических шайб, армированного металлической стяжкой, переднюю и тыльную накладки, одна из которых, в данных примерах тыльная, выполнена стаканообразной, при этом край стакана обращен в сторону передней излучающей накладки.
Достоинство этого преобразователя состоит в компактности его конструкции, недостатком же его является возможность возникновения колебаний стенки стаканообразной накладки на своей собственной резонансной частоте - так называемый «колокольный эффект», что обычно приводит к искажению частотных характеристик преобразователя. Кроме того, здесь не полностью использованы возможности минимизации поперечного размера преобразователя, так как при его индивидуальной герметизации корпус цилиндрической формы, обычно связанный полимерным узлом развязки с боковой поверхностью края конической части передней накладки, препятствует применению такой конструкции в дискретных многоэлементных антеннах, имеющих общий контур герметизации.
Следует отметить, что применение индивидуальной герметизации преобразователей в многоэлементных дискретных гидроакустических антеннах приводит к снижению их надежности и технологичности при одновременном повышении трудозатрат в процессе изготовления.
Известны конструкции стержневых пьезоэлектрических преобразователей, работающих в составе многоэлементных антенн, не имеющих индивидуальной герметизации [2, 3]. Их герметизация имеет общий контур и осуществляется герметичной конструкцией антенны. У преобразователей этих антенн стаканообразной выполнены как передняя, так и тыльная накладка и предприняты меры для устранения «колокольного эффекта» в стаканообразных накладках. Преобразователи [2, 3] компактны и не вносят искажений в характеристики направленности (ХН) многоэлементных антенн, созданных на их основе.
Пьезоэлектрический стержневой преобразователь [3] является наиболее близким аналогом заявляемому. Он имеет активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб, армированных металлической стяжкой, переднюю и тыльную стаканообразные накладки, направленные краями друг к другу. На стенки стаканообразных накладок с натягом надеты резиновые манжеты.
Рассмотренные пьезоэлектрические стержневые преобразователи [2, 3] предназначены только для установки в антенны, имеющие общую накладку. В настоящее время большое распространение получают гидроакустические многоэлементные антенны, апертура которых имеет выпуклую криволинейную форму, в том числе форму тел вращения, например в виде цилиндра или сферы [4]. Тенденции развития гидроакустической антенной техники предполагают снижение весов и габаритов гидроакустических антенн. Это может быть достигнуто, если корпус антенны выполнен из современного полимерного материала.
Конструкция преобразователя [3] не позволяет встраивать его в дискретную гидроакустическую многоэлементную антенну, имеющую толстостенный корпус из полимерного материала, имеющий в общем случае выпуклую криволинейную наружную поверхность, радиус которого составляет около 3-х длин волн в среде на средней частоте рабочего диапазона.
Задачей изобретения является создание конструкции преобразователя с уменьшенными размерами в осевом направлении и в поперечном направлении в тыльной области преобразователя для встраивания в гидроакустическую дискретную антенну, имеющую толстостенный корпус из полимерного материала, что весьма актуально при проектировании вышеуказанных антенн с минимизированными массагабаритными размерами.
Техническим результатом заявленного пьезоэлектрического стержневого преобразователя является оптимизация его конструкции при работе в составе многоэлементной дискретной антенны выпуклой формы, имеющей толстостенный полимерный корпус большой кривизны при малых волновых размерах.
Для обеспечения указанного технического результата пьезоэлектрический стержневой преобразователь для гидроакустической многоэлементной антенны, вставленный заподлицо в ее толстостенный полимерный корпус преимущественно криволинейный с радиусом, по крайней мере, в одной из плоскостей 3 длины волны в среде на средней частоте рабочего диапазона, содержит армированный шпилькой активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб, переднюю стаканообразную накладку и тыльную накладки в виде гайки, причем стаканообразная передняя накладка, высота которой равна толщине толстостенного полимерного корпуса, имеет конический участок, примыкающий к ее рабочей поверхности для фиксации пьезоэлектрического стержневого преобразователя вровень с наружной поверхностью толстостенного полимерного корпуса, при этом на наружной цилиндрической части поверхности передней стаканообразной накладки выполнены, по крайней мере, две канавки, в которых размещены резиновые уплотнительные кольца, демпфирующие колебания стаканообразной передней накладки, для закрепления пьезокерамического стержневого преобразователя в отверстии толстостенного полимерного корпуса, развязки от него и герметизации.
Заявленное техническое решение обеспечило существенное уменьшение продольного размера стержневого пьезоэлектрического преобразователя, уменьшение поперечного размера тыльной накладки за счет выполнения ее в виде гайки, а не стакана и технологичность встраивания в полимерный толстостенный корпус антенны, что позволяет встраивать его в антенну большой кривизны и малых волновых размеров.
Для упрощения технологии сборки и уменьшения продольного размера пьезоэлектрического стержневого преобразователя его электрический монтаж выполнен посредством двух гирлянд, каждая из которых состоит из тонких металлических шайб, выполненных заедино с перемычками, длина которых несколько превышает удвоенную толщину пьезокерамической шайбы, при этом при сборке активного элемента каждая из тонких металлических шайб одной гирлянды, чередующихся с тонкими металлическими шайбами другой гирлянды, находится между двумя смежными пьезокерамическими шайбами и соединяет их электроды одинаковой полярности, причем перемычки гирлянд смещены друг относительно друга на 90° вокруг оси активного элемента и образуют арки, электрически изолированные от поверхности активного элемента.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, где представлена конструкция пьезоэлектрического стержневого преобразователя, который содержит переднюю стаканообразную накладку 1, активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб 2, гирлянду плюсового электрода 3, уплотнительные кольца 4, тыльную накладку 5 в виде гайки, армирующий шпильку 6 и гирлянду 7 минусового электрода, перемычки которой смещены вокруг оси преобразователя на угол 90° относительно перемычек гирлянды 3.
На фиг.1 показано поперечное сечение преобразователя, на котором видно, что перемычки гирлянд 3 и 7 изогнуты в виде арки над боковой поверхностью набора пьезокерамических шайб 2.
Работа заявленного пьезоэлектрического стержневого преобразователя в режиме излучения происходит следующим образом: на пьезокерамические шайбы 2 через электрические выводы в виде гирлянд 3 и 7 подается электрическое напряжение сигнала, необходимое для возбуждения механических колебаний, обеспечивающих излучение звуковых волн с излучающей поверхности передней накладки 1 в окружающую среду. При работе преобразователя в режиме приема на электрических выводах 3 и 7 регистрируется сигнал, появляющийся при вынужденных механических колебаниях преобразователя, возникающих от воздействия звуковых волн, падающих на поверхность передней накладки 1.
При механических продольных колебаниях пьезоэлектрического стержневого преобразователя из-за влияния связанных с ними поперечных колебаний стенки стаканообразной накладки на частотных характеристиках преобразователя могут возникать нежелательные паразитные резонансы, которые в результате предложенного в заявке конструктивного технического решения и благодаря демпфирующему действию уплотнительных колец вообще исключаются; одновременно с этим уплотнительные кольца обеспечивают фиксацию преобразователя в толстостенном полимерном корпусе, акустическую развязку от него и герметизацию конструкции корпуса. При этом выполнение тыльной накладки в виде шайбы позволяет встраивать преобразователи в толстостенный полимерный корпус большой кривизны.
Применение предложенной конструкции электрических выводов преобразователя в виде цельнометаллических гирлянд значительно упрощает конструкцию его токоведущих частей, благодаря этому она становится более компактной, механически прочной и менее трудоемкой в изготовлении, при этом повышается также надежность и долговечность преобразователя.
Источники информации
1. Подводные электроакустические преобразователи: (Расчет и проектирование). Справочник / В.В.Богородский, Л.А.Зубарев, Е.А.Корепин, В.И.Якушев. - П., Судостроение, 1983.
2. Патент США №3974474 по кл. H04R 1/44 на «Подводный электроакустический преобразователь», опубликован 10.08.1976 г.
3. Патент РФ №2303336 по кл. H04R 1/44, H04R 17/00 на «Гидроакустическую многоэлементную антенну и пьезоэлектрический стержневой преобразователь для такой антенны», опубликован 26.02.2007 г. - прототип
4. Патент Франции №2709909 по кл. H04R 1/44 на «Гидроакустическую антенну со сферическим корпусом», опубликован 17.03.1995 г.