ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
HYDROACOUSTIC BROADBAND CONVERTER

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию стержневых широкополосных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы в составе многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем автономных необитаемых подводных аппаратов различного назначения.
Именно пьезокерамические преобразователи стержневого типа получили широкое распространение как наиболее способные обеспечить высокую эффективность в достаточно широкой полосе частот в режимах излучения и приема, а также устойчивость к внешним воздействующим факторам.
Для сочетания в большой степени взаимоисключающих требований: высоких уровней излучения и КПД, и одновременного обеспечения пониженной чувствительности к вибрациям при воздействии высокого гидростатического давления до 10÷15 МПа, необходима предельная оптимизация технических решений, включая минимизацию массогабаритных характеристик преобразователя, что особенно важно для многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем морского подводного оружия.
Для расширения полосы пропускания в преобразователь обычно вводятся дополнительные согласующие элементы в виде четвертьволнового слоя (или системы слоев) либо в виде гибкой вставки и дополнительной массы (см. патент США №4633119). Такие колебательные системы с двумя степенями свободы имеют, как правило, двугорбую частотную характеристику с рабочей полосой порядка одной октавы. Однако у таких конструкций преобразователей значительно повышаются масса и продольный габарит.
Известны конструкции гидроакустических стержневых преобразователей Ланжевеновского типа, которые обеспечивают один достаточно широкополосный резонанс за счет использования высоких значений коэффициента механической трансформации, определяемого отношением площади передней накладки к площади пьезокерамического элемента. При этом в силовом газонаполненном варианте конструкций антенн, гидростатическое давление передается на пьезокерамические элементы, в которых возникают сжимающие механические напряжения, ограничивающие глубоководность преобразователя, а в развитой по площади передней накладке могут возникнуть изгибные колебания, оказывающие существенное влияние на частотную характеристику преобразователя. В таких преобразователях, для реализации широкополосного режима излучения с использованием изгиба передней накладки за счет выбора ее геометрии и материала, полоса частотной характеристики порядка одной октавы может быть получена за счет связанных колебаний аналогично двухмодовой механической системе на продольно-изгибных колебаниях (см. патент США №3309654). Обычно такие преобразователи имеют характерный глубокий провал между резонансами и не реализуют требуемой неравномерности частотной характеристики, не превышающей 3 дБ.
Известен силовой вариант конструкции преобразователя, рассчитанный на воздействие гидростатического давления (см. изобретение Франции №2544576). Он состоит из пьезокерамического стержневого элемента, развитой передней и тыльной накладок, цилиндрического армирующего элемента и опорного стержня, упирающегося в резьбу силового корпуса и жестко связанного с передней накладкой резьбовым соединением. Очевидно, что жесткое крепление за переднюю накладку снижает амплитуду ее колебаний на продольном резонансе и ограничивает эффективность излучения в рабочей полосе частот. В режиме приема вибрации корпуса через жесткий опорный стержень передаются на переднюю накладку и возбуждают пьезокерамический стержень с переднего торца, снижая тем самым виброустойчивость преобразователя.
Такие односторонне нагруженные конструкции преобразователей имеют существенную асимметрию акустической нагрузки: т.к. передняя накладка, прилегающая к водной среде, имеет активную составляющую сопротивления излучения, а тыльная накладка имеет только реактивную составляющую, что сказывается на величине чувствительности к вибрации в режиме приема.
Известны конструкции односторонне нагруженных преобразователей, в которых реализован вариант с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов (см. Стырикович И.И. Преобразователь стержневой виброустойчивый. // VII международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 8-10 июня 2004, Санкт-Петербург, Труды конференции, с.186-188). В этом варианте с целью снижения чувствительности к вибрации преобразователя, для компенсации разницы в амплитудных и фазовых соотношениях скоростей колебаний его нагруженной и ненагруженной накладок, вносится дополнительное демпфирующее сопротивление со стороны тыльной накладки (заявка РФ №2013159118 «Гидроакустический преобразователь» от 30.12.2013).
Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является гидроакустический преобразователь, в котором для снижения влияния воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок, используется схема с частичной разгрузкой внешнего давления за счет крепления в узловой плоскости армирующей шпильки, с использованием фланца, жестко контактирующего с опорной металлической деталью цилиндрической формы, соединяющейся через прорези в задней накладке с силовым корпусом (платой) антенного устройства (см. Добисова Л.В., Масленникова Л.Н., Стырикович И.И. «Гидроакустический преобразователь» - SU 1840705 A1, бюл. №5, 2009). Этот способ развязки по сути дела реализует вариант с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов, который уменьшает влияние вибраций корпуса на работу преобразователя, а также снижает величины сжимающих механических напряжений, возникающих в пьезокерамических элементах преобразователя в силовом газонаполненном варианте антенного устройства при воздействии высокого гидростатического давления до 15 МПа, и по совокупности признаков может служить прототипом.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции гидроакустического стержневого преобразователя, обеспечивающий в режиме излучения работу в полосе частот не менее октавы за счет использования колебаний изгиба передней накладки и одновременно реализующей закрепление колебательной системы преобразователя в узловом сечении армирующего элемента (стяжки), при котором:
а) внешнее гидростатическое давление лишь частично передается на пьезокерамический стержневой блок;
б) вибрационные колебания в режиме приема передаются одновременно на оба торца пьезокерамического стержневого блока в противофазе.
Технический результат от использования изобретения заключаются в обеспечении эффективного излучения в рабочей полосе частот порядка одной октавы с минимальной неравномерностью АЧХ и в снижении воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок элементов и снижении чувствительности к корпусным вибрациям в режиме приема.
Для достижения этого технического результата, в известную по прототипу конструкцию стержневого преобразователя введены новые признаки, а именно часть армирующего стержня, обращенная к тыльной накладке, выполнена в виде тонкостенного цилиндра, а в зазоре между стержневым элементом крепления и тонкостенным цилиндром сформирован вязкоупругий концентрический элемент потерь цилиндрической формы из акустически мягкого материала.
Снижение чувствительности к вибрации и выравнивание провала между резонансами, обусловленными продольно-изгибными колебаниями в механической системе преобразователя с двумя степенями свободы, обеспечивающего неравномерность АЧХ не более 3 дБ, происходит за счет демпфирования колебаний при введении внутренних потерь в цилиндрическую часть армирующего элемента со стороны тыльной накладки.
Сущность изобретения поясняется на чертеже «Конструкция гидроакустического преобразователя».
Передняя накладка (1) из алюминиевого сплава для реализации оптимального согласования с водной нагрузкой выполнена в виде усеченного конуса с цилиндрической частью, тыльная накладка (3) выполнена из стали. Пьезокерамический блок (2) состоит из набора активных и изолирующих элементов. Элемент армирования выполнен из двух частей, разделенных в узловой плоскости опорным фланцем, соединенным с крепежным стержнем (4). Часть армирующего элемента (5), обращенная к передней накладке, выполнена в виде сплошного стержня, а часть армирующего элемента (6), обращенная к тыльной накладке, выполнена в виде тонкостенного цилиндра, через который крепежный стержень проходит наружу преобразователя и соединяется с силовым корпусом (9). Силовое армирование осуществляется путем закручивания гайки (8) по резьбовой части тонкостенного цилиндра. Вязкоупругий концентрический элемент (7) цилиндрической формы из акустически мягкого материала расположен в зазоре между стержневым элементом крепления (4) и тонкостенным цилиндром (6).
Функционирование устройства осуществляется следующим образом.
При воздействии гидростатического давления части элемента армирования (5) и (6) механически включены параллельно, и на пьезокерамический блок (2) передается не полное усилие, а только усилие, соответствующее соотношению механических гибкостей элементов(5), (6), и при их равенстве может составлять половину от внешнего.
В динамическом режиме колебательная система работает таким образом, что излучение или прием полезных сигналов осуществляется передней накладкой со стороны водной среды, а передача колебаний в режиме излучения на силовой корпус, равно как и передача вибраций корпуса на пьезокерамический блок в режиме приема, минимизированы за счет пропорциональности отношения механических гибкостей частей элемента армирования, контактирующих с обеими накладками, к отношению их масс.
При этом вязкоупругий элемент (7), введенный в зазор между поверхностями стержневого элементом крепления (4) и тонкостенного цилиндра (6), испытывает сдвиговые деформации, которые вследствие потерь в материале вносят дополнительную активную составляющую сопротивления, компенсирующую разницу в амплитудных и фазовых соотношениях скоростей колебаний нагруженной и ненагруженной накладок преобразователя при воздействии вибраций корпуса в режиме приема, а также выравнивающую провал между резонансами колебательной системы преобразователя с двумя степенями свободы.
В описанной выше конструкции преобразователя реализованы все отличительные признаки, благодаря которым и достигается заявленный положительный эффект, а именно обеспечение эффективного излучения в полосе частот порядка октавы, при снижении воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок элементов и снижении чувствительности к корпусным вибрациям (увеличении виброустойчивости) в режиме приема.
Таким образом, введение новых признаков позволяет получить заявленный положительный эффект и использовать такие конструкции при воздействии высокого гидростатического давления до 15 МПа в воздухо-газозаполненном варианте антенн.