НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРОДОЛЬНО-ИЗГИБНЫЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
LOW-FREQUENCY LONGITUDINALLY-BENDING PIEZOCERAMIC CONVERTER

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 низкочастотных продольно-изгибных преобразователей производится за счет изгибных колебаний корпуса, возбуждаемого продольными колебаниями пьезокерамического активного элемента.
Поскольку пьезокерамические элементы не обеспечивают значительных линейных деформаций, на низких частотах, сохраняя неизменной амплитуду колебательной скорости, необходимо увеличивать площадь излучающей поверхности для поддержания на постоянном уровне мощности излучателя и эффективности работы активного элемента на резонансных частотах, что неизбежно приводит к увеличению силы гидростатического давления, воспринимаемой излучающей поверхностью.
Кроме того, для достижения более низкой частоты стараются сделать корпус как можно «мягче» в поперечном направлении, чтобы обеспечить возможно большее изменение объема преобразователя, что также снижает устойчивость излучающей поверхности преобразователя к воздействию внешнего гидростатического давления.
Для обеспечения компенсации гидростатического давления обычно во внутреннюю полость излучателя закачивают газообразные вещества под давлением равным наружному на глубине, на которой планируется эксплуатировать излучатель.
Таким образом, излучающая поверхность низкочастотных продольно-изгибных преобразователей подвергается значительному воздействию давлений как изнутри, так и снаружи, поэтому для подобных преобразователей остро стоит проблема их качественной герметизации и обеспечения надежности в целом.
Так, например, из патента RU №2681268 (МПК В06В 1/06,H04R 17/00; приор. 04.04.2018; публ. 05.03.2019) известен низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический преобразователь с бочкообразной боковой стенкой герметичного корпуса, имеющей максимальные средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах, гофрированной вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к фланцам корпуса, удерживающим торцевые крышки с расположенным между ними активным элементом.
Указанный преобразователь обладает неплохими герметизацией и устойчивостью к воздействию внешнего гидростатического давления.
В предлагаемом устройстве существенное понижение жесткости происходит ввиду равномерного распределения механического напряжения по излучающей поверхности, однако в то же самое время ребра гофры являются дополнительными ребрами жесткости, вследствие чего данный преобразователь является недостаточно низкочастотным, да и изготовление такой сложной поверхности возможно только методом 3D-печати.
От указанных выше недостатков свободен выбранный в качестве прототипа низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь, известный из патента на полезную модель RU №81104 (МПК В06В 1/06, H04R 17/00; приор. 27.10.2008; публ. 10.03.2009), 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. При этом ширина прорезей выбирается из условия непроникновения герметизирующей резины, которой обклеивается поверхность преобразователя, в прорези при максимальном рабочем гидростатическом давлении.
Данный преобразователь является существенно более низкочастотным ввиду наличия аксиальных профильных прорезей на боковой поверхности, которые выполнены для уменьшения жесткости корпуса в поперечном направлении.
Существенным недостатком прототипа является низкая устойчивость к внешнему гидростатическому давлению из-за необходимости герметизации. Этот недостаток объясняется тем, что на герметизирующее покрытие в районе аксиальных профильных прорезей действуют нагрузки на разрыв, где в каждый момент времени отрыву герметизирующего покрытия от корпуса сопротивляется лишь тонкий слой клеящего состава, что приводит к тому, что герметизирующее покрытие последовательно, слой за слоем, отрывается и лопается.
Кроме того, ввиду поглощения в герметизирующем покрытии, при электроакустическом преобразовании происходит потеря энергии, то есть снижается добротность преобразователя.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение надежности, устойчивости к внешнему гидростатическому давлению и добротности низкочастотного продольно-изгибного пьезокерамического преобразователя за счет повышения качества герметизации аксиальных профильных прорезей.
Положительный эффект достигается тем, что низкочастотный продольно-изгибный пьезокерамический преобразователь содержит армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус с бочкообразной боковой стенкой, на которой выполнены аксиальные профильные прорези, заклеенные эластичным материалом, а также торцевые крышки.
Новым является то, что каждая аксиальная профильная прорезь преобразователя заклеена собственной эластичной вкладкой, причем каждая эластичная вкладка в продольном сечении выполнена повторяющей геометрическую форму аксиальной профильной прорези, а в поперечном сечении имеют арочную форму, скругленная часть которой направлена к внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса, а нескругленные части приклеены внешними сторонами к боковым поверхностям аксиальной профильной прорези, причем область склейки занимает всю площадь боковой поверхности аксиальной профильной прорези.
В частном случае реализации изобретения по п. 2 новым является то, что эластичная вкладка выступает над внешней поверхностью бочкообразной боковой стенки корпуса на высоту h большую или равную 2d, где d - толщина материала эластичной вкладки.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведены продольное и поперечное сечения одного из вариантов реализации предлагаемого низкочастотного продольно-изгибного пьезокерамического преобразователя. Рисунок поясняет, но не ограничивает данное изобретение.
На фиг. 2 показана в поперечном сечении эластичная вкладка, вклеенная в аксиальную профильную прорезь, выполненную на бочкообразной боковой стенке корпуса преобразователя.
Предложенный низкочастотный продольно-изгибный пьезокерамический преобразователь (см. фиг. 1) содержит армированный стержневой активный элемент 1, расположенный в корпусе 2 между торцевыми крышками 3. Торцевые крышки 3 являются армирующим элементом и могут иметь отверстия для пропуска транзитных проводов, пролегающих во внутренней полости преобразователя. Корпус 2 имеет бочкообразную боковую стенку, на которой выполнены аксиальные профильные прорези 4, заклеенные эластичными вкладками 5, которые в продольном сечении выполнены повторяющими геометрическую форму аксиальных профильнх прорезей 4, а в поперечном сечении имеют арочную форму, скругленная часть 6 которой направлена к внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса 2, а нескругленные части 7 приклеены внешними сторонами к боковым поверхностям одной из аксиальных профильных прорезей 4, причем область склейки занимает всю площадь боковой поверхности одной из аксиальных профильных прорезей 4.
Предложенный низкочастотный продольно-изгибный пьезокерамический преобразователь работает следующим образом. Продольные колебания активного элемента 1 преобразуются в колебания бочкообразной боковой стенки корпуса 2, в результате чего система «активный элемент 1 - корпус 2» совершает изгибные механические колебания, возбуждая упругие колебания окружающей среды. Полезная работа (излучение акустической энергии) совершается за счет изменения объема корпуса 2 преобразователя, которое обеспечивается изменением его диаметра. При этом ширина аксиальных профильных прорезей 4 изменяется. Поскольку область склейки каждой из эластичных вкладок 5 занимает всю площадь боковой поверхности соответствующей ей одной из аксиальных профильных прорезей 4, то внутреннему давлению в корпусе 2 сопротивляется не тонкий слой клеевого состава, как в прототипе, а вся сила сцепления, возникающая в результате приклеивания каждой из эластичных вкладок 5 к боковой поверхности соответствующей ей одной из аксиальных профильных прорезей 4 и равномерно распределяющаяся по всей площади склейки, а значит, надежность герметизации аксиальных профильных прорезей 4 определяется не площадью склейки, а прочностью материала эластичных вкладок 5, которая намного выше прочности склейки при подаче нагрузки на разрыв. Кроме того, то же самое внутреннее давление в корпусе 2, которое стремится вырвать эластичные вкладки 5 из аксиальных профильных прорезей 4, прижимает нескругленные части 7 эластичных вкладок 5 к боковым поверхностям аксиальных профильных прорезей 4, увеличивая тем самым прочность вклейки и повышая качество герметизации. За счет этого предложенный преобразователь по сравнению с прототипом обладает большей устойчивостью к внешнему гидростатическому давлению и большей надежностью.
К тому же, поскольку обклеиванию не подвергается вся внешняя поверхность корпуса 2 преобразователя, как это происходит у прототипа, при герметизации не так сильно, как у прототипа, повышается резонансная частота, да и добротность такого преобразователя значительно выше.
В частном случае реализации изобретения по п. 2 формулы эластичные вкладки 5 выступают над внешней поверхностью бочкообразной боковой стенки корпуса 2 на высоту h большую или равную 2d, где d - толщина материала эластичных вкладок 6.
Если аксиальные профильные прорези 4 заклеены таким образом, что эластичные вкладки 5 не выступает над внешней поверхностью бочкообразной боковой стенки корпуса 2, то при изменении ширины аксиальных профильных прорезей 4 в эластичных вкладках 5 возникают напряжения, обусловленные силой упругости эластичного материала. На компенсацию этих напряжений уходит часть энергии, которая в отсутствие указанных напряжений могла бы быть потрачена на излучение. В результате повышается резонансная частота и понижается добротность преобразователя.
Если же скругленная часть 6 эластичных вкладок 5 выступает над внешней поверхностью бочкообразной боковой стенки корпуса 2 на высоту h (см. фиг. 2), то изменению ширины аксиальных профильных прорезей 4 сопротивляются не силы упругости, а силы, обеспечивающие изменение формы эластичных вкладок 5 внешней поверхностью бочкообразной боковой стенки корпуса 2, которые на полтора порядка меньше сил упругости. На компенсацию напряжений, возникающих при изменении формы, требуется намного меньше энергии и, таким образом, обеспечивается большая добротность. При соотношении h=2d, где d - толщина материала эластичных вкладок 5, значение добротности достигает некоторого максимума и слабо меняется при увеличении h. При этом надо учитывать, что чем больше эластичные вкладки 5 выступают за пределы корпуса 2, тем более они уязвимы с точки зрения получения случайных механических повреждений, и находить баланс между желаемым значение добротности и прочностными характеристиками преобразователя.
Таким образом, предложенный низкочастотный продольно-изгибный пьезокерамический преобразователь за счет повышения качества герметизации аксиальных профильных прорезей обладает большими по сравнению с прототипом надежностью, устойчивостью к внешнему гидростатическому давлению и добротностью.