ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК

Предлагаемая полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к созданию широкополосных гидроакустических приемников звукового давления.
Гидроакустические цилиндрические приемники широко используются в станциях шумопеленгования подводных лодок, в погружаемых антеннах вертолетных гидролокаторов, в качестве измерительных средств для калибровки гидроакустических устройств, при физических исследованиях Мирового океана.
Известны широкополосные гидроакустические цилиндрические приемники, содержащие в качестве активных элементов собранные соосно тонкостенные полые пьезокерамические цилиндры (кольца) с нанесенными на боковые поверхности электродами и поляризованными в радиальном направлении [1] [2]. Широкополосность этих приемников достигается выбором диаметра активного элемента таким образом, чтобы его низшая (радиальная) резонансная частота находилась выше верхней границы рабочего диапазона. При этом на частотах ниже резонанса обеспечивается практически равномерная частотная характеристика чувствительности в широком диапазоне частот.
Радиальная резонансная частота такого приемника в режиме холостого хода определяется выражением:
где
1
D
V  - скорость звука в пьезокерамике в направлении, перпендикулярном направлению поляризации при разомкнутых электродах;
ср
r - средний радиус кольца.
н.ч
Чувствительность холостого хода на низких частотах γ(на плоском участке частотной характеристики):
- пьезоконстанты керамики
откуда
Из приведенных выражений видно, что необходимость расширения рабочего диапазона частот в верхнюю сторону (то есть повышение резонансной частоты за счет уменьшения диаметра приемника) приводит к возможному снижению чувствительности холостого хода такого приемника до уровней, неприемлемых при конкретном использовании. В то же время электрическая емкость пьезокерамического кольца определяется выражением
где h - высота пьезокерамического кольца,
t - толщина его стенки,
33
T
ε  - диэлектрическая проницаемость пьезокерамики,
При работе с предварительным усилителем, имеющим большое входное сопротивление, емкость гидроакустического цилиндрического приемника может оказаться избыточно большой.
По наибольшему числу общих признаков с предлагаемой полезной моделью в качестве прототипа выбран гидроакустический цилиндрический приемник, описанный в книге [2]. Приемник содержит ряд пьезокерамических колец, собранных соосно. Торцы колец механически развязаны друг от друга с помощью резинометаллических развязок, которые оперты на пластмассовые крепления. Герметизация осуществляется резиновым чехлом, приклеенным к наружной поверхности пьезокерамических колец. Электрический монтаж пьезокерамических колец выполнен на их внутренней и наружной цилиндрической поверхности. Для обеспечения механической прочности приемника он снабжен двумя торцевыми фланцами и центральным металлическим стержнем, стягивающим всю конструкцию.
В приемнике-прототипе оптимальное согласование с предварительным усилителем обеспечивается посредством разбиения полной высоты каждого пьезокерамического кольца по высоте на «N» одинаковых пьезоэлементов и включением их электрически последовательно, а пьезокерамических колец в приемнике -параллельно, при этом параметры приемника изменяются следующим образом:
где n - число пьезокерамических колец в гидроакустическом цилиндрическом приемнике.
Основными недостатками гидроакустического цилиндрического приемника-прототипа являются:
- технические трудности, возникающие при оптимизации согласования приемника с усилителем с большим входным сопротивлением;
- невысокое качество акустического контакта наружной поверхности цилиндрических колец с резиновым чехлом, обусловленное электрическим монтажом;
- снижение надежности при последовательном электрическом соединении отдельных пьезокерамических элементов,
- повышение стоимости из-за увеличения общего числа пьезокерамических элементов.
Техническими результатами от использования предлагаемой полезной модели является расширение рабочего диапазона частот, облегчение согласования гидроакустического цилиндрического приемника с предварительным усилителем, улучшение акустического контакта наружной поверхности приемника с рабочей средой, улучшение показателей надежности приемника
Для обеспечения указанных технических результатов в гидроакустический цилиндрический приемник, герметизированный резиновым чехлом, содержащий ряд установленных соосно, электрически поляризованных и имеющих электроды на наружной поверхности пьезокерамических колец, торцы которых механически развязаны друг от друга, и электрические выводы, введены новые признаки, а именно: пьезокерамические кольца поляризованы в осевом направлении, электроды нанесены на торцевые поверхности пьезокерамических колец, а электрический монтаж пьезокерамических колец выполнен в их внутренних полостях.
В предлагаемой конструкции цилиндрического гидроакустического приемника увеличение чувствительности достигается без последовательного включения входящих в конструкцию пьезоэлементов. Для этого каждое пьезокерамическое кольцо заполяризовано в осевом направлении и электроды нанесены на его торцы. Чувствительность холостого хода и емкость такого пьезокерамического кольца определяются соотношениями:
ср
где r - средний радиус пьезокерамического кольца,
h, t - высота и толщина соответственно.
2
Сравнение с вышеприведенными формулами для пьезокерамического кольца с радиальной поляризацией показывает, что при одинаковых размерах кольцо с осевой поляризацией обеспечивает в h/t раз большую чувствительность и в (h/t) раз меньшую емкость, чем кольцо с радиальной поляризацией, а при одинаковом числе пьезокерамических колец в гидроакустическом приемнике-прототипе и по предложению, эти соотношения будут справедливы и для гидроакустических цилиндрических приемников в целом.
Таким образом, использование пьезоэлементов с осевой поляризацией позволяет более простым и экономичным способом увеличить чувствительность холостого хода приемника, осуществляя оптимальное согласование при работе на предварительный усилитель с большим входным сопротивлением.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2, при этом на фиг.1 схематически показан предлагаемый гидроакустический цилиндрический приемник, а на фиг.2 показаны направления поляризации пьезокерамических колец и их электрический монтаж в приемнике.
Приемник в данном конкретном варианте (фиг.1) содержит 8 пьзокерамических колец 1 состава ЦТБС-3, собранных соосно. Кольца поляризованы в направлении оси и электроды нанесены на их торцы. Торцы соседних колец развязаны друг от друга с помощью кольцевых резинометаллических развязок 2. Электрические монтажные провода от каждого пьезокерамического кольца заведены в их внутренние полости. Общее электрическое соединение пьзокерамических колец - параллельное. Прочность приемника обеспечивается двумя торцевыми крышками 3 и центральным стержнем 4. Герметизация приемника выполнена с помощью резинового чехла 5, который приклеен полиуретановым компаундом к наружным цилиндрическим поверхностям пьзокерамических колец. Приемник снабжен двумя электрическими выводами 6 с проводами марки ПГШ.
На фиг.2аб показаны направления поляризации 7 и электроды 8 для двух типов пьзокерамических колец: широко используемых в настоящее время в том числе и в преобразователе-прототипе (фиг.2а) и примененных в предлагаемом гидроакустическом цилиндрическом приемнике (фиг.2б).
Предложенный гидроакустический цилиндрический приемник работает следующим образом. Звуковая волна, падающая на цилиндрическую поверхность приемника, с помощью прямого пьзоэффекта преобразуется в нем в нем в электрический сигнал, который через электрические выводы передается на предварительный усилитель. При этом в соответствии с предложением обеспечивается
лучший контакт наружной поверхности приемника с рабочей средой из-за отсутствия электрического монтажа на наружной поверхности пьезокерамических колец и оптимальное согласование параметров приемника и входного сопротивления усилителя, В результате повышается чувствительность всего приемного тракта гидроакустической шумопеленгаторной станции, что позволяет считать заявленные технические результаты достигнутыми.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1 Р.Дж.Боббер, «Гидроакустические измерения», «МИР», Москва, 1974 г, стр.276, 279, рис 5.13, 5.14
2 Справочник «Подводные электрические преобразователи» под редакцией В.В.Богородского, «Судостроение», Ленинград, 1983 г, стр.90, 91, рис.5.4 а