СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ЕГО УСТРОЙСТВО
METHOD OF EXCITING HYDROACOUSTIC WAVEGUIDE CONVERTER AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке направленных эффективных волноводных преобразователей для гидроакустических средств различного назначения, в том числе используемых на подводных аппаратах в различных буксируемых системах в качестве антенн систем: гидролокации, связи, навигации, профилирования, акустической томографии, подсветки подводной обстановки и т.д.
Известен способ возбуждения преобразователя волноводного типа набором N идентичных соосных пьезоэлектрических колец с акустически гибкими прокладками между их торцами, с акустическим экраном, расположенным на внешней поверхности колец, погруженных в жидкость и подключенных к генератору сигналов через сложную электронную систему управления [1]. Способ возбуждения волны, бегущей в жидком цилиндрическом волноводе, образованном внутренней полостью пьезоэлектрических колец, обеспечивают радиальными колебаниями системы пьезоколец, а введением в цепь возбуждения фильтра с регулируемым коэффициентом передачи создают необходимые для возбуждения бегущей волны зависимости амплитуд и фаз напряжений возбуждения колец и поддерживают равномерность частотной характеристики в широкой до двух октав рабочей полосе при сравнительно небольших массогабаритных параметрах излучателя.
Недостатками данного способа возбуждения преобразователя являются сложность изготовления и настройки системы возбуждения, высокая стоимость устройства, потенциально низкая излучаемая мощность, обусловленная существенными ограничениями, вызванными развитием кавитации, связанной с высоким уровнем давлений, развиваемых радиальными колебаниями пьезоэлементов на оси жидкого волновода.
Известен способ возбуждения гидроакустического направленного волноводного преобразователя SEFAR [2, 3], в котором ребристый упругий стержневой волновод возбуждают пьезокерамическим титанатобариевым четвертьволновым цилиндром, жестко связанным с торцом волновода через согласующий металлический концентратор. Недостатком способа возбуждения излучателя являются большие массогабаритные параметры, узкая полоса рабочих частот.
φ
0
Наиболее близким по функциональным и техническим характеристикам к предлагаемой группе изобретений является способ возбуждения гидроакустического направленного цилиндрического волноводного преобразователя [4] - прототип. Принцип действия волноводных преобразователей основан на том, что звуковое поле формируется вытекающей упругой волной, распространяющейся с фазовой скоростью с, превышающей скорость звука в жидкости c. Именно тогда ее энергия излучается через боковую поверхность волновода в окружающую среду под определенным углом.
Способ возбуждения - прототип, основан на возбуждении в цилиндрическом волноводе, погруженном в жидкость, продольной нормальной вытекающей волны армированным стержневым пьезопакетом, который жестко связывают с торцом, и герметично изолируют от внешней среды прочным корпусом. При этом пьезопакет располагают взаимно последовательно относительно волновода.
Такой способ возбуждения обеспечивает простоту реализации, невысокую стоимость, обратимость, хорошее согласование с волноводной нагрузкой и, как следствие, высокие чувствительность, электроакустический к.п.д., излучаемую мощность без использования сложных электронных систем, как у волноводного преобразователя [1], при лучших, чем у волноводного преобразователя SEFAR, массогабаритных и других технических параметрах с возможностью работы в полосе частот порядка октавы. Недостатком известного способа возбуждения волноводного преобразователя является то, что он осуществляется в устройстве, имеющем большие массогабаритные параметры, в первую очередь продольные размеры. Данный недостаток особенно проявляется при необходимости разработки антенн низкочастотного диапазона частот (1-3) кГц и ниже, что затрудняет возможность их использования в нестационарных системах: в мобильных быстро развертываемых комплексах, на подводных аппаратах.
Задачей предлагаемой группы изобретений является создание нового простого в реализации способа возбуждения гидроакустического волноводного преобразователя и разработка конструкции устройства для осуществления данного способа, обеспечивающего существенное уменьшение массогабаритных характеристик волноводного преобразователя.
Техническими результатами заявляемых способа возбуждения гидроакустического волноводного преобразователя и устройства для его реализации являются улучшение технических характеристик волноводного преобразователя, а именно обеспечение направленного акустического поля с низким уровнем бокового и тыльного излучения, возможность работы в широкой полосе частот с сохранением обратимости, высокой чувствительности, излучаемой мощности, а также значительное уменьшение длины преобразователя.
Для решения поставленной задачи предлагается способ возбуждения гидроакустического волноводного преобразователя, включающий в себя процесс преобразования электрической энергии стержневого пьезопакета, который располагают инверсно во внутреннем пространстве погруженного в жидкость цилиндрического полого герметичного газозаполненного волновода, в энергию распространяющейся в волноводе вытекающей продольной нормальной волны.
Согласование пьезопакета с волноводом и инверсию фронта возбужденной им волны в пространстве обеспечивают с помощью специальной фронтальной согласующей накладки грибовидной формы. При этом инверсию фронта волны, возбужденной пьезопакетом, обеспечивают благодаря ее отражению от внешней ненагруженной, свободной поверхности фронтальной накладки, чем также исключают ее контакт с жидкой средой и реализуют однонаправленность излучения волноводного преобразователя.
Из уровня техники известно, что в полом упругом цилиндрическом волноводе, погруженном в жидкость, также как и в прототипе, существуют вытекающие волны, которые при распространении эффективно излучают энергию через боковую поверхность в окружающее пространство [5].
Таким образом, отличительный существенный признак заявляемого способа возбуждения гидроакустического волноводного излучателя состоит в том, что процесс преобразования электрической энергии в энергию вытекающей продольной нормальной волны производят путем инверсии фронта волны, созданной стержневым пьезопакетом, расположенным инверсно во внутреннем объеме полого цилиндрического волновода.
Устройство, реализующее способ возбуждения гидроакустического волноводного преобразователя, конструктивно представляет собой погруженный в воду полый газозаполненный цилиндрический упругий волновод; волновод возбуждается с торца пьезопакетом, инверсно размещенным в его внутреннем пространстве, герметично изолированном от внешней среды крышками. Активный элемент состоит из стержневого армированного пакета пьезошайб продольной поляризации, электрически соединенных параллельно. Пакет жестко связан с согласующей фронтальной накладкой грибовидной формы по центральной выступающей части ее внутренней поверхности, жестко состыкованной с торцом волновода по обращенной к нему периферийной утопленной части поверхности накладки. Для обеспечения инверсии фронта волны и исключения тыльного излучения внешняя поверхность фронтальной накладки расположена в отдельном, заполненном газом, герметичном пространстве, образованном прочной металлической крышкой, выполненной в виде стакана. Крышка снабжена герметичным кабельным вводом и упирается в ступеньку на внешней боковой поверхности волновода, гибко соединенного с ним посредством радиального кольцевого резинового уплотнения и прокладки, и зафиксирована специальным кольцевым пружинным фиксатором. Для волноводных преобразователей низкочастотного диапазона с целью минимизации их массогабаритных параметров и создания осевой направленности полый упругий цилиндрический волновод выполнен из акустически мягкого материала, например эбонита, оргстекла, сферопластика и др.
Применение в конструкции волноводного преобразователя нового типа упругого цилиндрического волновода, полого и заполненного газом, дает возможность использовать его внутреннее пространство для размещения активного элемента, тем самым исключив необходимость наличия прочного герметизирующего корпуса, и обеспечить значительное уменьшение продольных габаритов и массы без существенного усложнения конструкции преобразователя.
Таким образом, отличительными существенными признаками устройства, реализующего описанный способ возбуждения гидроакустического волноводного излучателя, являются:
- наличие погруженного в жидкость полого цилиндрического газозаполненного волновода, выполняющего одновременно функцию корпуса;
- наличие стержневого пьезопакета, расположенного инверсно во внутреннем герметичном пространстве полого, заполненного газом, цилиндрического волновода;
- наличие специальной фронтальной согласующей накладки, осуществляющей инверсию фронта волны, созданной стержневым пьезопакетом, и обеспечивающей однонаправленность излучения.
Достигаемые технические результаты заявляемых способа возбуждения гидроакустического волноводного преобразователя и его устройства обеспечиваются «сворачиванием» волноводного преобразователя по длине до предельно компактного размера, практически равного длине волноводной структуры, необходимой для формирования направленного поля и близкой к длине вытекающей волны. Кроме того, к дополнительному снижению массогабаритных характеристик приводит одновременное использование полого цилиндрического волновода не только в качестве излучающей структуры, осуществляющей согласование пьезопакета с окружающей средой и диаграммоформирование, но и в качестве герметичного корпуса, без существенного усложнения конструкции устройства.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлена конструкция устройства для реализации предлагаемого способа возбуждения волноводного излучателя;
- на фиг.2 показаны экспериментальные амплитудно-частотные характеристики чувствительности обратимого волноводного преобразователя, реализуемые для двух способов возбуждения полого цилиндрического газозаполненного волновода, погруженного в жидкость, с помощью заявляемого способа возбуждения: в режимах излучения (кривая 1), приема (кривая 2) и с возбуждением, как в прототипе, осуществленном последовательным нагружением того же пьезопакета на тот же волновод в режиме излучения (кривая 3);
- на фиг.3 приведены диаграммы направленности макета волноводного преобразователя на частоту 15 кГц, реализующего заявляемый способ возбуждения, с волноводом из эбонита на частотах: 13 кГц (кривая 1) и 15 кГц (кривая 2);
- на фиг.4 показан внешний вид реализованных макетов малогабаритных волноводных преобразователей на частоту 15 кГц (верхнее изображение) и 5 кГц (нижнее);
- на фиг.5 показан внешний вид реализованных макетов на одинаковую частоту 2,5 кГц для способа возбуждения - прототипа и заявляемого способа возбуждения (верхнее изображение).
Введение каждого нового отличительного признака в совокупности с известными существенными признаками обеспечивает решение поставленной задачи, а именно: создан способ возбуждения и разработана конструкция гидроакустического обратимого волноводного направленного преобразователя для его реализации, характеризующаяся существенным уменьшением массогабаритных характеристик без усложнения конструкции.
Гидроакустический волноводный направленный преобразователь, в котором реализуется заявляемый способ, содержит: полый заполненный газом упругий цилиндрический волновод 1, возбуждаемый с одного из торцов активным элементом 2, инверсно размещенным в его внутреннем пространстве, герметично изолированном от внешней среды; его конструкция представлена на фиг.1. Активный элемент 2 состоит из полуволнового стержневого пакета пьезошайб продольной поляризации, электрически соединенных параллельно, армированного стягивающей шпилькой 3, грибовидной накладкой 4 и гайкой 9. Пьезопакет 2 жестко состыковывают с тыльной накладкой из латуни 8 склейкой и с согласующей накладкой трансформатором грибовидной формы 4 с помощью резьбового соединения армирующей шпилькой 3 и склейки по поверхности ее выступающей центральной части. Грибовидная накладка 4 изготовлена из алюминиевого сплава (АМГ) и жестко состыкована с торцом волновода по обращенной к нему периферийной части накладки 4 клеевым соединением с армированием четырьмя винтами 6 с поверхности с пропиткой резьбового соединения клеем. В накладке 4 выполнены два отверстия 7 для вывода электрических проводов от пьезопакета 2, обеспечивающих электрическое соединение преобразователя с аппаратной частью. В преобразователях низкочастотного диапазона полый упругий цилиндрический волновод 1 выполняется из акустически мягкого материала, например эбонита, оргстекла, сферопластика (для минимизации его массогабаритных параметров). Для установки и центровки пьезоэлектрической системы 2 с целью предотвращения ее возможного разрушения при ударах о внутренние стенки волновода ввиду ее консольного крепления, на конец армирующей шпильки 3 устанавливается скользящий опорный подшипник в виде диска 10 с закругленным краем, изготавливаемый из полимерного материала с низким коэффициентом трения (фторопласт, капролон). Диск 10 имеет центральное отверстие и скользяще устанавливается на выступающий конец армирующей шпильки 3 и фиксируется с продольным зазором через шайбу 11 гайкой и контргайкой 12. Внешний диаметр центровочного диска 10 выполняют равным диаметру внутреннего пространства волновода, а для скользящей посадки его предварительно смазывают литолом или циатимом. Герметизацию внутреннего пространства волновода по торцам обеспечивают двумя крышками 13, 16. Свободный торец волновода закрывают крышкой 13, изготавливаемой из материала волновода, с центровочным выступом, а герметизацию соединения обеспечивают гибким кольцевым уплотнением 14, которое фиксируют винтами 15 в количестве 4-6 шт. Герметизацию и экранирование излучения торца волновода, возбуждаемого пьезопакетом 1, осуществляют прочной металлической крышкой 16, выполненной в виде стакана, упирающегося в ступеньку на внешней боковой поверхности волновода 1, гибко соединенного с ним посредством гибкой прокладки 22 и гибкого радиального кольцевого уплотнения 17, устанавливаемого в канавке металлической втулки 21, приклеенной на боковую поверхность волновода 1. Прочную крышку 16 снабжают герметичным вводом 20 электрического кабеля 19 и дополнительно крепят к волноводу специальным кольцевым пружинным фиксатором 18, выступы которого заходят и фиксируются в соответствующих канавках на боковых поверхностях ее и волновода 1. Внутреннее пространство волновода заполняют воздухом или электроизоляционным газом. Внутреннюю герметичную область, образованную прочной крышкой - стаканом 16, также заполняют воздухом или электроизоляционным газом.
φ
0
max
Предложенный способ возбуждения гидроакустического волноводного преобразователя реализован в работе заявляемого устройства. В режиме излучения он заключается в следующем: подают рабочее электрическое напряжение на вход стержневого пьезопакета 2, инверсно расположенного во внутреннем, заполненном газом, объеме полого цилиндрического волновода 1, в результате чего создают продольные механические колебания пьезопакета и возбуждают акустическую волну в жестко связанной с ним фронтальной согласующей грибовидной накладке 4, которая отражается от свободной внешней поверхности накладки, расположенной в пространстве, заполненном газом, благодаря чему обеспечивают однонаправленность излучения, инверсию фронта волны, и возбуждают торец цилиндрического упругого полого волновода 1, жестко нагруженный на периферийную часть накладки 4. В результате в полом цилиндрическом волноводе возбуждают симметричную продольную вытекающую нормальную волну, распространяющуюся с фазовой скоростью C>C, излучающуюся в окружающее пространство через боковую поверхность волновода под направлением γ(ϖ), благодаря этому явлению обеспечивают согласование преобразователя с окружающей средой и формируют направленное акустическое поле с низким уровнем бокового излучения, вид которого зависит от акустических и геометрических параметров волновода, рабочей частоты. Вследствие наличия газа внутри волновода и гибких акустических развязок 17, 22 колебания в широкой полосе частот не передаются прочной металлической крышке 16 и не излучаются ею в рабочую в среду, формируя паразитное поле в боковом и тыльном направлениях.
max
В режиме приема акустический сигнал из среды воздействует на всю поверхность волновода 1 и крышек 13, 16. Благодаря газу в полом волноводе и пространстве под крышкой 16, акустическим развязкам 17, 22, пьезоактивным элементом 2 принимают и преобразуют в электрические сигналы только те акустические колебания, которые передают ему через грибовидную накладку 4 с помощью продольной нормальной волны, бегущей в волноводе 1, возбужденной акустическим сигналом, падающим на его боковую поверхность под углом γ(ϖ) и на торец, через крышку 13. Экспериментальная отработка предлагаемого способа возбуждения была проведена на ряде макетов волноводного преобразователя, внешний вид которых приведен на фиг.4 и 5, выполненных на различные рабочие частоты: 2,5 кГц, 5 кГц, 15 кГц - в соответствии с предлагаемой конструкцией (фиг.1). На фиг.4 приведен внешний вид макетов, разработанных на частоты: 5 кГц - нижнее изображение и 15 кГц - верхнее.
Для сравнения на фиг.5 показаны макеты волноводных преобразователей, реализованных на одинаковую частоту 2,5 кГц, но с различными способами возбуждения: для способа возбуждения, используемого в прототипе (нижнее изображение) и предлагаемого способа возбуждения (верхнее). Можно заметить, что продольный размер предлагаемого устройства сокращен по сравнению с прототипом почти в три раза, а его длина сравнима с длиной волновода, которая близка к длине продольной нормальной волны.
<mrow><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>19.6</mn><mtext> </mtext><mfrac bevelled="true"><mrow><mtext>мВ</mtext></mrow><mrow><mtext>Па</mtext></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>21.4</mn><mtext> </mtext><mfrac bevelled="true"><mrow><mtext>мВ</mtext></mrow><mrow><mtext>Па</mtext></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mtext> </mtext><mfrac bevelled="true"><mrow><mtext>мВ</mtext></mrow><mrow><mtext>Па</mtext></mrow></mfrac></mrow>
Кроме того, предложенный способ возбуждения обеспечивает устройству хорошую чувствительность. На фиг.2 представлены экспериментальные амплитудно-частотные характеристики чувствительности макетов волноводных преобразователей, разработанных на частоту 15 кГц для двух способов возбуждения полого цилиндрического воздухозаполненного волновода, погруженного в жидкость: с помощью предлагаемого способа возбуждения в режиме излучения (кривая 1) и приема (кривая - 2) и в режиме излучения, как в способе-прототипе, при последовательном нагружении того же пьезопакета на тот же волновод (кривая 3). Частотные характеристики практически совпадают для обоих способов возбуждения, а максимумы чувствительности волноводных преобразователей близки по величине: для предлагаемого способа возбуждения в режиме излучения она составляет:
а при возбуждении известным способом
разработанный преобразователь обратим и имеет высокую чувствительность в режиме приема
.
φ
a
На фиг.3 приведены диаграммы направленности волноводного преобразователя на частотах 13 кГц и 15 кГц. Как свидетельствуют приведенные данные, характеристики направленности имеют низкий уровень бокового и тыльного излучения. Форма характеристик направленности определяется акустическими и геометрическими параметрами волновода, рабочей частотой и сохраняется в режиме приема. Диаграмма направленности может оставаться постоянной в полосе частот около октавы, если выбрать диапазон рабочих частот в области слабой дисперсии фазовой скорости нормальной волны, где c(ϖ,)≈const, что подтверждают данные экспериментальных исследований. Кроме того, направленность заявляемого устройства улучшена благодаря меньшему влиянию на диаграмму направленности волны Шолте, приводящей с ростом частоты в прототипе к искажению формы основного лепестка диаграммы направленности. Экспериментально установлено, что волна Шолте в полом газозаполненном цилиндрическом волноводе возбуждается слабее. Благодаря существенно меньшим массогабаритным параметрам гидроакустических волноводных преобразователей с предложенным способом возбуждения, он имеет меньшее лобовое сопротивление при буксировке и может использоваться при разработке мобильных антенн, в том числе и низкочастотного диапазона. Таким образом, заявленный способ возбуждения гидроакустического волноводного преобразователя и его устройство обеспечивают диаграммы направленности с пониженным уровнем боковых лепестков, высокую чувствительность как в режиме излучения, так и приема, высокую излучаемую мощность, имеют простую конструкцию, наряду с меньшими массогабаритными характеристиками волновода и способностью работы в полосе частот. Кроме указанных, также стоит отметить иные достоинства преобразователя, которые проявляются при его эксплуатации: возможность работы на глубинах до 1000 м, что подтверждено испытаниями макета в гидробаке высокого давления; высокую помехоустойчивость в режиме приема к гидродинамической помехе, возникающей при его использовании в режиме буксировки, что делает перспективным его применение в мобильных системах гидроакустической телеметрии, связи, гидролокации, профилирования морского дна, в схемах динамической томографии, в том числе и в качестве антенн широкополосных сигналов.
Источники информации
1. Степанов Б.Г. Гидроакустический преобразователь волноводного типа (пат. RU 2393644, опубл. 27.06.2010).
2. Church D.R.A., A New Type Directive Sound Sourse for Long Range Sonar., IRE Wescon Convention Record, 1959, Pt. 6, p.4-12.
3. Чарч. Новый тип направленного источника звука для гидролокационных станций дальнего обнаружения // Зарубежная радиоэлектроника. - 1960. №3. С.81-87.
4. Мальцев Ю.В., Прокопчик С.Е. Гидроакустические волноводные антенны и перспективы их применения в технических средствах исследования океана // Подводные исследования и робототехника. 2010. №2 (10). С.51-71.
5. Гринченко В.Т., Комиссарова Г.Л. Свойства нормальных волн композитного упругожидкостного волновода, помещенного в жидкость // Акустический вестник. 2006. т.9. №4. С.17-34.