НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРОДОЛЬНО-ИЗГИБНЫЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
LOW-FREQUENCY LONGITUDINAL-BENDING PIEZOCERAMIC TRANSDUCER

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 в системах освещения подводной обстановки.
Излучение известных низкочастотных продольно-изгибных преобразователей производится за счет изгибных колебаний корпуса, возбуждаемых 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 преобразователя 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 преобразователя закачивают газообразные вещества под давлением равным наружному на глубине, на которой планируется эксплуатировать преобразователь. Однако процедура закачки требует специального оборудования, времени и определенных погодных условий, если осуществляется на борту судна. Транспортировка и хранение преобразователей под давлением отрицательным образом сказывается на их сохранности и продолжительности времени эксплуатации. Также некоторые морские приложения позволяют использовать преобразователи и без компенсации внешнего гидростатического давления, т.е. без предварительной закачки газообразного вещества под давлением внутрь преобразователя. Таким образом, существует проблема обеспечения надежности и длительной работоспособности низкочастотного продольно-изгибного пьезокерамического преобразователя вне зависимости от того, какое соотношение давлений снаружи от него и внутри него устанавливается в разные моменты времени, и от того, выполнен он с компенсацией гидростатического давления или без нее.
Так, например, из патента на полезную модель RU №81104 (МПК В06В 1/06, H04R 17/00; приор. 27.10.2008, публ. 10.03.2009) известен низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический преобразователь с бочкообразной боковой стенкой герметичного корпуса 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.
В упомянутом устройстве «мягкость» в поперечном направлении и, соответственно, значительное увеличение изменения объема преобразователя происходит за счет аксиальных профильных прорезей на боковой поверхности, герметизируемых резиной, которой обклеивается поверхность преобразователя.
Данный преобразователь является низкочастотным ввиду наличия аксиальных профильных прорезей на боковой поверхности, которые выполнены для уменьшения жесткости корпуса в поперечном направлении, однако в то же самое время ввиду поглощения в герметизирующем покрытии при электроакустическом преобразовании происходит потеря энергии, то есть снижается добротность преобразователя. Кроме того, 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 вещества, что приводит к тому, что герметизирующее покрытие последовательно, слой за слоем, отрывается и лопается.
От указанных выше недостатков свободен выбранный в качестве прототипа низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь, известный из патента на изобретение RU №2737241 (МПК В06В 1/06, H04R 17/00; приор. 25.03.2020; публ. 26.11.2020). Данный 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, при этом 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. Преобразователь предполагает компенсацию внешнего гидростатического давления.
Упомянутый преобразователь является существенно более добротным по сравнению с описанным ранее аналогом, а также более надежным за счет того, что увеличение давления внутри корпуса приводит только к увеличению силы прижатия эластичной вкладки к боковой поверхности корпуса и усилия на разрыв в клеевом соединении отсутствуют, в результате чего надежность герметизации прорези определяется прочностью и надежностью материала эластичной вкладки, что по меньшей мере на порядок выше, чем прочность и надежность клеевого соединения.
Существенным недостатком прототипа является снижение стойкости преобразователя к внешнему гидростатическому давлению в условиях, когда давление снаружи корпуса превышает давление внутри него. Такие условия возникают, когда преобразователь оказывается на глубине, где гидростатическое давление больше давления, созданного во внутренней полости преобразователя. В этом случае скругленная часть эластичной вкладки, выступающая над внешней поверхностью корпуса, под действием сил внешнего давления сминается и превращается в вертикальную складку, в результате чего на клеевой шов начинают действовать усилия на разрыв, что приводит к резкому уменьшению надежности герметизации. Чтобы избежать выхода из строя преобразователя, приходится жестко ограничивать и контролировать его эксплуатационную глубину.
Таким образом, возможность длительной работоспособности низкочастотного продольно-изгибного пьезокерамического преобразователя напрямую зависит от обеспечения надежности его герметизации вне зависимости от того, какое соотношение давлений снаружи от него и внутри него устанавливается в разные моменты времени.
При этом имеется в виду разумное допустимое соотношение (перепад) давлений - до 1 атм, которое может возникать при нахождении преобразователя в рабочем состоянии на контролируемой эксплуатационной глубине.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение надежности герметизации низкочастотного продольно-изгибного пьезокерамического преобразователя вне зависимости от соотношения внешнего гидростатического давления и давления внутри преобразователя в пределах до 1 атм.
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, при этом 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, нескругленные части которой приклеены внешними сторонами к боковым поверхностям аксиальной профильной прорези клеящим компаундом, причем область склейки занимает всю площадь боковой поверхности аксиальной профильной прорези.
Новым является то, что скругленная часть каждой эластичной вкладки направлена к внутренней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса, причем области внутренней поверхности корпуса, прилегающие к краям каждой аксиальной профильной прорези, покрыты на протяжении не менее H/2 от краев аксиальной профильной прорези, где Н - наибольшая толщина корпуса в месте расположения аксиальной профильной прорези, симметричными относительно аксиальной профильной прорези слоями клеящего компаунда, контактирующего с внешними сторонами выступающих под внутренней поверхностью корпуса нескругленных частей эластичной вкладки, толщиной h, большей или равной 2d в месте контактирования, где d - толщина материала эластичной вкладки.
1
В частном случае реализации изобретения новым является то, что каждая эластичная вкладка выдается скругленной частью внутрь преобразователя относительно поверхности слоев контактирующего с выступающими под внутренней поверхностью корпуса ее нескругленными частями клеящего компаунда на расстояние h большее или равное 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 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 профильных прорезей 4, а в поперечном сечении имеют арочную форму, скругленная часть 6 которой направлена к внутренней 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. Области внутренней поверхности корпуса 2, прилегающие к краям каждой из аксиальных профильных прорезей 4, покрыты двумя симметричными относительно нее слоями клеящего компаунда 8, которые приведены в контакт с внешними сторонами выступающих под внутренней поверхностью корпуса 2 нескругленных частей 7 вклеенной в нее одной из эластичных вкладок 5. Указанные слои клеящего компаунда 8 в местах контактирования имеют толщину h, составляющую не менее 2d, где d - толщина материала эластичной вкладки, и простираются они от краев каждой из аксиальных профильных прорезей 4 на величину не менее H/2, где H - наибольшая толщина корпуса в месте расположения каждой 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 - корпус2» совершает изгибные механические колебании, 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 одной из аксиальных боковых профильных прорезей 4, то внешнему давлению на корпус 2 будет сопротивляться не тонкий слой клеевого материала, 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. При этом, если внешнее гидростатическое давление превышает давление внутри преобразователя, выступающие под внутренней поверхностью корпуса 2 части эластичных вкладок 5 без последствий выдерживают такое давление не изменяя свою форму, поскольку внешнее давление прижимает нескругленные части 7 эластичных вкладок 5 к боковым поверхностям аксиальных профильных прорезей 4, увеличивая тем самым прочность вклейки и повышая качество герметизации. В случае если внутреннее давление внутри корпуса 2 превышает внешнее, выступающие под внутренней поверхностью корпуса 2 части эластичных вкладок 5 под действием давления стремятся собраться в вертикальные складки, но поскольку усилия на разрыв дополнительно распределяются на весь объем эластичных слоев клеящего компаунда 8, простирающихся от краев каждой из аксиальных профильных прорезей 4 на величину не менее H/2 и имеющих в местах контактирования с эластичными вкладками 5 толщину h большую или равную 2d, отрыва эластичных вкладок 5 от аксиальных профильных прорезей 4 не происходит. Таким образом, в предложенном низкочастотном продольно-изгибном пьезокерамическом преобразователе, в отличие от прототипа, вне зависимости от соотношения внешнего гидростатического давления и давления внутри преобразователя обеспечивается надежная герметизация.
1
В частном случае реализации изобретения по п. 2 формулы каждая из эластичных вкладок 5 выдается скругленной частью 6 внутрь преобразователя относительно поверхности симметричных слоев клеящего компаунда 8, контактирующих с ее выступающими под внутренней поверхностью корпуса 2 нескругленными частями 7, на расстояние h, большее или равное 2d, где d - толщина материала эластичных вкладок 5.
1
1
1
Если аксиальные профильные прорези 4 заклеены таким образом, что эластичные вкладки 5 не выдаются внутрь преобразователя относительно поверхности симметричных слоев клеящего компаунда 8, 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 выдается внутрь преобразователя относительно поверхности симметричных слоев клеящего компаунда 8 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 внутренней 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 выполнении указанного соотношения предложенный низкочастотный продольно-изгибный пьезокерамический преобразователь имеет добротность не хуже добротности прототипа.