ПРОДОЛЬНО-ИЗГИБНЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель 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 звуковых волн известными продольно-изгибными низкочастотными гидроакустическими преобразователями производится путем создания переменного давления в окружающей среде за счет изгибных колебаний корпуса, возбуждаемого продольными колебаниями активного элемента.
Известны низкочастотные продольно-изгибные гидроакустические преобразователи, содержащие активный стержневой элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических колец, корпус бочкообразной формы, имеющий максимальный диаметр на торцах, а минимальный на половине высоты, торцевые крышки и герметизирующее покрытие (см., например, патенты US 4922470, US 5136556). Недостатками указанных низкочастотных продольно-изгибных гидроакустических преобразователей являются, с одной стороны, проблемы, связанные с необходимостью герметизации, низкая добротность из-за поглощения энергии при использовании резины и полиуретана для герметизации, а с другой стороны, низкая устойчивость к внешнему гидростатическому давлению и низкая надежность (малая наработка на отказ).
Недостатки герметизации продольно-изгибного низкочастотного преобразователя связаны с высокими динамическими и статическими напряжениями в точках конструктивного сопряжения элементов данного преобразователя, сложностью обеспечения однородности механических свойств герметизирующего состава и элементов конструкции, что приводит к нарушению герметизации при больших уровнях излучаемой акустической мощности.
От указанных выше недостатков свободен выбранный в качестве прототипа гидроакустический преобразователь продольно-изгибного типа, известный из патента на изобретение RU №2681268 (дата приоритета 04.04.2018, МПК В06В 1/02, H04R 1/00). Бочкообразная боковая стенка корпуса преобразователя прототипа имеет максимальные средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах и гофрирована вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к торцевым фланцам корпуса, удерживающим крышки с расположенным между ними активным элементом.
Недостатком прототипа является то, что при возвратно-поступательных колебаниях активного элемента с большими амплитудами, передающихся крышками, из-за ограниченной жесткости торцевых фланцев корпуса происходит деформация зазора в резьбовом соединении крышек с торцевыми фланцами, вызванная изгибом торцевых фланцев в виду их конечной жесткости. Это приводит к нарушению герметичности упомянутых резьбовых соединений и к попаданию воды внутрь излучателя под действием гидростатического давления и капиллярного эффекта в упомянутых резьбовых соединениях.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение герметичности корпуса излучателя при больших амплитудах активного элемента преобразователя и продольно-изгибных колебаний, что позволяет повысить максимальный уровень излучаемой акустической мощности преобразователя по сравнению с прототипом, увеличить надежность излучателя (время наработки на отказ) и снизить требования, предъявляемые к точности подготовки резьбовых соединений крышек с торцевыми фланцами.
Технический результат разработанного гидроакустического преобразователя продольно-изгибного типа достигается тем, что продольно-изгибный гидроакустический преобразователь, так же как и прототип, содержит активный элемент, расположенный между крышками в герметично выполненном корпусе с бочкообразной боковой стенкой, включающем в себя также торцевые фланцы, удерживающие упомянутые крышки, при этом бочкообразные боковые стенки корпуса гофрированы вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к торцевым фланцам.
Новым в разработанном продольно-изгибном гидроакустическом преобразователе является то, что с наружной стороны крышек и торцевых фланцев, выполненных заподлицо с крышками, нанесен слой герметизирующего покрытия и установлены дополнительные фланцы в виде дисков, жестко зафиксированные на торцевых фланцах с помощью болтов и плотно прилегающие к поверхностям крышек и торцевых фланцев.
Новым в частном случае реализации полезной модели по п. 2 формулы является то, что диаметр дополнительных фланцев равен диаметру торцевых фланцев в месте соприкосновения с дополнительными фланцами, при этом по центру одного из дополнительных фланцев выполнено отверстие для транзита проводов питания активного элемента.
Полезная модель поясняется следующими рисунками.
На фиг. 1 представлен продольно-изгибный гидроакустический преобразователь (вид сверху и продольный разрез).
На фиг. 2 приведена фотография одного из возможных видов преобразователя.
Предложенный продольно-изгибный гидроакустический преобразователь по п. 1 (см. фиг. 1, 2) содержит активный элемент 1, расположенный в корпусе 2 с бочкообразной боковой стенкой 3, включающем в себя также торцевые фланцы 4, удерживающие крышки 5. Крышки 5, между которыми закреплен активный элемент 1, являются армирующим элементом, и могут иметь отверстия для транзита проводов питания активного элемента, пролегающих во внутренней полости преобразователя. С наружной стороны крышек 5 и торцевых фланцев 4 нанесен слой герметизирующего покрытия 6 и установлены дополнительные фланцы 7, жестко зафиксированные на торцевых фланцах 4 с помощью болтов 8 и плотно прилегающие к поверхностям торцевых фланцев 4.
Торцевые фланцы 4 выполнены заподлицо с крышками 5. Корпус 2, включающий в себя торцевые фланцы 4, выполнен герметичным. Бочкообразная боковая стенка 3 выполнена, как и в прототипе, с переменной вдоль продольной оси симметрии преобразователя толщиной, причем ее толщина в каждом поперечном сечении корпуса 2 постоянна и имеет максимальные средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах. Бочкообразная боковая стенка 3 гофрирована вдоль продольной оси симметрии с переменной амплитудой, уменьшающейся к торцевым фланцам 4.
В предложенном продольно-изгибном гидроакустическом преобразователе по п. 2 внешний диаметр дополнительных фланцев 7 выбран равным внешнему диаметру торцевых фланцев 4 в месте соприкосновения с дополнительными фланцами 7, а по центру одного из дополнительных фланцев 7 выполнено отверстие для транзита проводов питания активного элемента.
Предложенный низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический преобразователь работает следующим образом. При продольных колебаниях активного элемента 1, изменяющего свои размеры в направлении продольной оси преобразователя, возвратно-поступательные колебания торцевых фланцев 4 корпуса 2 преобразуются в колебания бочкообразной боковой стенки 3, в результате чего система «активный элемент 1 - корпус 2» совершает изгибные механические колебания, возбуждая упругие колебания окружающей среды. Дополнительные фланцы 7 находятся под воздействием внешнего гидростатического давления окружающей среды, которое, равномерно распределяясь по поверхности фланца 7, имеет по сравнению с величиной силы давления на внешнюю поверхность фланца 7 незначительное значение на швах сопряжения торцевых фланцев 4 корпуса 2 с дополнительными фланцами 7.
В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве обеспечение герметичности при высоких амплитудах продольно-изгибных колебаний достигается за счет того, что сила внешнего гидростатического давления, действующего на дополнительные фланцы 7, многократно превосходит силу давления, действующего на поверхность герметизирующего покрытия 6 между дополнительными фланцами 7 и торцевыми фланцами 4 излучателя из-за того, что площади поверхностей дополнительных фланцев 7 многократно превосходят площади швов между дополнительными фланцами 7 и торцевыми фланцами 4.
Установка дополнительных фланцев 7 с герметизирующим покрытием 6 на торцы корпуса излучателя приводит к увеличению жесткости торцевых фланцев 4 и уменьшению их прогиба во время возвратно-поступательных колебаний активного элемента 1, дополнительно понижая резонансную частоту излучателя и увеличивая эффективность излучателя в основной полосе частот. С помощью изменения толщины и веса дополнительных фланцев 7 можно проводить точную настройку рабочей частоты преобразователя.
Таким образом, предлагаемый преобразователь, по сравнению с прототипом, сохраняет герметичность конструкции при больших амплитудах колебаний активного элемента 1 преобразователя, поскольку установка дополнительных фланцев 7 приводит к увеличению жесткости торцевых фланцев.
Толщина дополнительных фланцев 7 для излучателя с высотой корпуса 80-100 мм должна составлять не менее 12 мм, а упругие постоянные материала дополнительных фланцев (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига) должны быть не менее, чем у материала корпуса 2.
В примере конкретной реализации материал корпуса 2 - сплав титана марки Ti-6Al-4V, высота корпуса 2 составляет 90,6 мм, дополнительные фланцы 7 выполнены из того же материала, что и корпус, и закреплены на корпусе 2 при помощи восьми болтов М6. Толщина дополнительных фланцев 7 составляет 12 мм. Согласно предварительным расчетам, установка дополнительных фланцев 7 приводит к увеличению максимальной излучаемой акустической мощности преобразователя по крайней мере в два раза, к увеличению времени наработки на отказ излучателя не менее чем в 100 раз и к снижению требований к точности подготовки резьбовых соединений крышек 5 с торцевыми фланцами 4.