ГЛУБОКОВОДНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к конструкции широкополосных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы как по отдельности, так и в составе многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем, например, систем позиционирования с длинной, короткой и ультракороткой базой для инженерных и строительных работ на морском шельфе.
Гидроакустические пьезоэлектрические преобразователи преобразуют электрическую энергию в механическую и обратно, и служат для излучения и приема гидроакустических сигналов в водной среде. Важнейшими требованиями, которые предъявляются к глубоководным пьезоэлектрическим гидроакустическим преобразователям, используемым в системах позиционирования, являются высокая эффективность при излучении и чувствительность при приеме, а также широкая полоса пропускания. Помехоустойчивость гидроакустических систем позиционирования обеспечивается направленностью пьезоэлектрических преобразователей, то есть, возможностью излучать и принимать излучение в заданном телесном угле. Работа преобразователей на больших глубинах может быть достигнута применением специальных схем, обеспечивающих равномерное всестороннее сжатие всех элементов конструкции, и материалов, устойчивых к воздействию больших гидростатических давлений.
К распространенным недостаткам существующих конструкций можно отнести недостаточную эффективность излучения и приема сигналов большинства из них при снижении частоты сигналов, сужение полосы пропускания сигнала за счет использования отдельных резонансов конструкции и искажения амплитудно-частотных характеристик за счет возбуждения паразитных волн в конструкции преобразователей, а также значительного разброса радиального механического резонанса активного элемента и резонанса жидкой среды в объеме преобразователя, например, при излучении сигналов, а также ухудшения направленности поля преобразователей из-за ограниченных размеров и недостатков конструкции, например, наличие внутренних воздушных полостей, ограничивающих применение в глубоководных системах на частотах верхнего звукового и нижнего ультразвукового диапазонов, отсутствия экранов активного элемента преобразователя.
Известны технические решения, например, «Глубоководный широкополосный кольцевой преобразователь» (патент Китая CN 106782474). В патенте предлагается разновидность глубоководного широкополосного мозаичного кольцевого преобразователя, включающего основание, металлическую подложку, равномерно расположенную на опорной планке между металлической подложкой и основанием, при этом верхнее развязывающее центрирующее кольцо соединено с нижней поверхностью металлической подложки, мозаичное керамическое кольцо, соединенное с верхним развязывающим центрирующим кольцом, расположено на нижнем конце развязывающего центрирующего кольца нижнего конца мозаичного керамического кольца, при этом фиксирующее кольцо соединяется с нижним концом нижнего развязывающего центрирующего кольца, U-образный резервуар с резиновым мешком, U-образный Резервуар резинового мешка вложен в развязывающее центрирующее кольцо, кольцевое мозаичное керамическое кольцо, нижнее центрирующее кольцо развязки, вне круговой кольцевой конструкции компоновки фиксирующего кольца, верхний конец U-образного резервуара резинового мешка соединен с металлической подкладкой, вентиляционное отверстие дополнительно снабжено металлическая подложка, точка заливки масла и отверстие для электрического соединения, электрическое соединение обеспечивается водонепроницаемой кабельной головкой на отверстии. В изобретении используется U-образный резервуар с резиновым мешком, вмещающий мозаичное керамическое кольцо. Резервуар объединен в общую конструкцию с металлической подложкой и заполнен маслом внутри, благодаря чему достигается возможность глубоководных работ.
Изобретение решая проблему работы преобразователя на больших глубинах при снижении частоты и некотором расширении полосы излучения все же оставляет открытой проблему паразитных волн в конструкции излучателя и требование ограниченной направленности излучения для данной конструкции кольцевого преобразователя. Кроме этого, данное техническое решение не предназначено для использования в качестве приемопередатчика.
Известен также «Широкополосный кольцевой преобразователь для приемопередатчика и способ его изготовления» (патент Китая CN 103400574), в котором для расширения полосы пропускания и обеспечения высоких значений эффективности в излучении и чувствительности в приеме предложено использовать радиальную и изгибную моды колебаний пьезоэлектрического керамического кольца. Дополнительное расширение полосы пропускания достигается использованием двух пьезоэлектрических кольцевых элементов различной высоты, расположенных коаксиально. В целях увеличения эффективности излучения-приема каждое пьезокерамическое кольцо выполнено составным из трапециевидных пьезоэлементов, обеспечивающих тангенциальную поляризацию и использование наиболее сильного продольного пьезоэффекта.
Недостатками предложенного в патенте CN 103400574 технического решения является наличие в его конструкции внутренних воздушных полостей, ограничивающих применение преобразователя на больших глубинах на частотах верхнего звукового и нижнего ультразвукового диапазонов.
Ближайшим аналогом (прототипом) данного изобретения является разработка Акустического института Китайской академии наук «Глубоководный пьезоэлектрический гидроакустический преобразователь и способ его изготовления» - патент CN 101072452 А по МПК H04R 1/44, дата приоритета 27.12.2005. Данное техническое решение содержит корпус в виде маслонаполненной оболочки, выполненной из акустически прозрачного материала, с крышками и активный элемент, выполненный в виде радиально поляризованной пьезокерамической цилиндрической трубки, установленной на рамах, размещенных соосно в оболочке и прикрепленных к крышкам корпуса с клапаном для подачи в оболочку масляной смеси в верхней крышке корпуса и розетки для контроля работы активного элемента на нижней крышке корпуса с полюсами, подключенными, соответственно, к внутренней и внешней поверхности пьезокерамической трубки.
Подбирая оптимальное соотношение между высотой и радиусом пьезокерамической трубки, добиваются сближения частот радиального механического резонанса пьезокерамической трубки и резонанса жидкой среды в полости трубки, что обеспечивает некоторое расширение полосы рабочих частот преобразователя. При этом, за счет резонансного режима работы, одновременно обеспечиваются высокие значения эффективности при излучении и чувствительности при приеме гидроакустических сигналов.
Данное изобретение, решая проблему работы преобразователя на больших глубинах при значительном, но все же ограниченном расширении полосы и повышении эффективности излучения и приема сигналов, также оставляет открытой проблему паразитных волн в конструкции преобразователя, что приводит к увеличению неравномерности амплитудно-частотной характеристики преобразователя.
Недостаток ограниченной возможности расширения полосы приема и излучения объясняется тем, что в ее формировании участвуют только радиальный резонанс пьезокерамической трубки и резонанс колебаний жидкости в полости трубки. Возбуждение паразитных волн в конструкции преобразователя объясняется отсутствием надлежащей экранировки активного элемента преобразователя.
Техническим результатом полезной модели является снятие ограничений по расширению полосы приема и излучения преобразователя, а также повышение эффективности преобразователя при излучении и приеме сигналов.
Для обеспечения указанного технического результата в известном глубоководном пьезоэлектрическом гидроакустическом преобразователе, рамы выполнены в виде звукопрозрачных пластин, размещенных вдоль внешней поверхности пьезокерамической трубки, а в конструкцию корпуса введены соосные с активным элементом жесткие цилиндрические экраны равноотстоящие от его торцов, в том числе, экран, выполненный путем кругового разреза тела цилиндра диаметром меньшим внешнего диаметра пьезокерамической трубки, а также экраны, выполненные путем радиальных разрезов тела цилиндра по боковой поверхности на равные сектора.
Конструкция глубоководного широкополосного пьезокерамического преобразователя представлена на Фигуре 1 осевым сечением преобразователя и двумя поперечными сечениями А-А и Б-Б. Конструкция состоит из корпуса 1, верхней и нижней крышек 3, активного элемента 4, рамы 5 для крепления активного элемента (Фигура 2), клапана 6 для заполнения корпуса маслом, розетки 7 для подключения активного элемента, акустических экранов 8.
Корпус 1 имеет цилиндрическую форму, заполнен органическим или синтетическим маслом и включает в себя оболочку, образующую боковую стенку корпуса 1 и выполненную из акустически прозрачного материала, а также верхнюю и нижнюю крышки 3. В верхней крышке предусмотрен клапан 6 для заливки масла и выпуска воздушных пузырей из корпуса при его заполнении маслом. К нижней крышке 3 присоединена розетка 7 для подключения блока контроля преобразователя.
Активный элемент преобразователя 4 представляет собой соосную с корпусом 1 радиально поляризованную пьезокерамическую цилиндрическую трубку, которая крепится во внутреннем пространстве корпуса на четырех рамах 5 (Фигура 2), размещенных соосно в оболочке и прикрепленных к крышкам корпуса. Рамы 5 выполнены из акустически прозрачного материала. Два идентичных жестких акустических экрана 8 цилиндрической формы расположены эквидистантно от нижнего и верхнего торцов активного элемента на фиксированном расстоянии от них и соосно с активным элементом 4. Наилучшие результаты дает вариант реализации преобразователя, когда расстояние между основаниями экранов 8 равно половине длины волны на верхней границе частотного диапазона. В целях сглаживания амплитудно-частотных характеристик преобразователя из-за возбуждения паразитных изгибных колебаний в жестких акустических экранах 8, эти экраны выполняются секционированными путем кругового разреза тела цилиндра диаметром меньшим внешнего диаметра пьезокерамической трубки с разнесением относительно торцов пьезокерамической трубки, а также путем радиальных разрезов тела цилиндра по боковой поверхности на равные сектора.
Подбирая оптимальное соотношение между высотой и радиусом пьезокерамической трубки, добиваются последовательного расположения резонансных частот колебаний жидкой среды в полости трубки, радиальных колебаний самой пьезокерамической трубки и полуволнового резонатора, образованного двумя акустическими экранами в порядке их возрастания, что обеспечивает значительное расширение полосы рабочих частот преобразователя. При этом, за счет резонансного режима работы, одновременно обеспечиваются высокие значения эффективности при излучении и чувствительности при приеме гидроакустических сигналов.
Предложенная полезная модель глубоководного гидроакустического пьезокерамического преобразователя работает следующим образом. В режиме излучения при подаче на активный элемент 4, возбуждающего электрического напряжения через розетку 7 вследствие обратного пьезоэффекта система активный элемент-корпус начинает механические колебания, возбуждая колебания на одном из ближайших по частоте резонансов. Усиленные упругие колебания излучаются в воду. В режиме приема акустическая волна, попадающая на преобразователь, возбуждает колебания на ближайшем по частоте резонансе преобразователя, эти колебания, усиленные за счет резонанса, передаются на активный элемент преобразователя, и далее, вследствие прямого пьезоэффекта преобразуются в электрическое напряжение.
Результаты математического моделирования методом конечных элементов в диапазоне частот 10-50 кГц подтвердили работоспособность предложенного технического решения. Увеличение эффективности в режимах приема и излучения по сравнению с прототипом в рабочей полосе частот составило 4-5 дБ, расширение полосы пропускания составило 50-60%.
Таким образом, предложенная полезная модель обеспечивает достижение заявленного результата.