ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭКВИВАЛЕНТ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
ELECTRIC EQUIVALENT OF HYDROACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к электротехнике к устройствам для моделирования передающих систем и может применяться как электрический эквивалент мощного низкочастотного гидроакустического преобразователя с идентичными электрическими параметрами в рабочей полосе частот для упрощения изготовления и настройки последнего.
Одной из актуальных проблем гидроакустики является создание мощных низкочастотных излучающих комплексов, развивающих звуковое давление в сотни тысяч паскалей, приведенных к одному метру, в диапазоне частот от десятков до тысяч герц. Гидроакустические преобразователи таких комплексов имеют, как правило, большие габариты (до 3 м), большую массу (до 5 тонн) и высокую стоимость. Ввиду высокой мощности излучения низкочастотных гидроакустических преобразователей, а также автономного исполнения большинства подобных гидроакустических систем, согласование системы возбуждения и низкочастотного гидроакустического преобразователя является определяющим фактором для достижения эффективного режима работы всего излучающего комплекса. Проведение натурных испытаний низкочастотного гидроакустического преобразователя для полноценной настройки систем возбуждения достаточно дорого, а сами испытания зачастую сложны организационно. Использование электрических эквивалентов преобразователей с электрическими параметрами, идентичными параметрам низкочастотного гидроакустического преобразователя, сокращает стоимость и сроки разработки согласующих устройств, однако предъявляет специфические требования к расчету и изготовлению эквивалентов мощных преобразователей из-за необходимости обеспечения высокой интенсивности излучения.
Использование в качестве активных элементов низкочастотного гидроакустического преобразователя пьезоэлектрических преобразователей в сочетании с механическими трансформаторами позволяет успешно решать противоречивую проблему зависимости размеров преобразователя от его КПД, полосы излучаемых частот и максимальной излучаемой акустической мощности. Другие технические решения по излучению звука в диапазоне до 1-2 кГц либо слишком громоздки, либо способны передавать ограниченный набор сигналов специального вида. Формирование акустического поля высокой интенсивности при помощи пьезоэлектрических преобразователей предполагает достаточно большие действующие значения напряжения, генерируемого системой возбуждения. Последнее обстоятельство накладывает жесткие требования на электрическую прочность и возможность изготовления электрических эквивалентов мощных низкочастотных гидроакустических преобразователей.
а
0
0
Из работы [Боголюбов Б.Н., Кирсанов А.В., Леонов И.И., Смирнов С.А., Фарфель В.А. Расчет и экспериментальные исследования компактного продольно-изгибного гидроакустического преобразователя с центральной частотой излучения 520 Гц // Гидроакустика. 2015. №23(3). С. 20-26.] известны принципиальная электрическая схема и схема замещения эквивалента гидроакустического преобразователя с пьезоэлектрическим активным элементом для рабочей полосы частот. Поскольку система «активный элемент-механический трансформатор-механический осциллятор» в рабочем диапазоне имеет одну полосу частот, в статье электрический эквивалент подобного преобразователя в области его основного резонанса представлен как одиночный последовательный электрический колебательный контур (см. фиг. 1, случай ), включающий индуктивность, емкость и активное сопротивление, параллельно которым включена емкость активного элемента преобразователя С. На принципиальной электрической схеме, в отличие от принципиальной электрической схемы для эквивалента пьезоэлектрического преобразователя в общем случае (см., например, Свердлин Г.М., Гидроакустические преобразователи и антенны / - JI.: Судостроение, 1980. С. 102, рис. 4.7а) отсутствует активное сопротивление, параллельное емкости С, поскольку сопротивление активного элемента данного пьезокерамического преобразователя постоянному току составляет-сотни мегаом.
1
1
0
1
Р
L
а
а
Недостатком данного ближайшего аналога является то, что для схемы замещения эквивален та гидроакустического преобразователя (фиг. 1, случай б) с учетом резисторов R (сопротивления проводников и коммутации) и r (сопротивление постоянному току катушки индуктивности эквивалента гидроакустического преобразователя) величина выделяемой на активных элементах цепи R и r тепловой энергии, уровни действующего тока и напряжения на катушке индуктивности L и конденсаторе С в процессе имитации номинального режима излучения, при котором уровень действующего напряжения на эквиваленте достигает 2 кВ, могут оказаться нереализуемыми. Так, например, рассматриваемый в статье мощный низкочастотный гидроакустический преобразователь с активным элементом, состоящим из параллельно соединенных пьезокерамических колец, выполненных из состава ЦТБС-3, в полосе 400-800 Гц низкочастотного гидроакустического преобразователя способен развивать акустическое давление до 3500 Па на 1 м от преобразователя при КПД порядка 35-50% и акустической мощности на уровне 100 Вт.Резонанс в контуре (фиг. 1, случай ) приводит к многократному превышению напряжения на реактивных элементах по отношению к напряжению системы возбуждения, поступающего на гидроакустический преобразователь. Для приведенной на фиг. 1 (случай б) схемы замещения, где С = 122 нФ, R = 7020 Ом, r = 150 Ом, R = 0,05 Ом, L = 16,2 Гн и С = 5,72 нФ, на резонансной частоте ƒ = 530 Гц, амплитуда напряжения на катушке индуктивности U достигает значения 18500 В (действующее значение 13000 В), а на активном сопротивлении такого преобразователя рассеивается около 186 Вт. Таким образом, для обеспечения полной имитации режимов излучения низкочастотного гидроакустического преобразователя при технической реализации эквивалента в соответствии с приведенной на фиг. 1 (случай ) схемой требуется катушка большой индуктивности L с высокой электрической прочностью. Изготовление катушки индуктивности с электрической прочностью, не менее чем двукратно превышающей рабочее напряжение на преобразователе (35-40 кВ), сложно как технически, так и технологически. Для этого катушку индуктивности необходимо разбивать на 7-10 отдельных последовательно включенных секций, установленных на дополнительные изолирующие основания, что кроме усложнения конструкции ведет и к ее удорожанию.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение технологии изготовления электрического эквивалента гидроакустического преобразователя при неизменности значений электрических параметров электрической эквивалентной схемы преобразователя.
Положительный эффект достигается тем, что электрический эквивалент гидроакустического преобразователя содержит электрический колебательный контур, в который последовательно включены в качестве имитирующих в рабочей полосе частот электрические параметры гидроакустического преобразователя реактивных элементов один или несколько конденсаторов и одна или несколько катушек индуктивности, а в качестве активного элемента один или несколько резисторов.
Новым является то, что электрический колебательный контур включен в цепь вторичной обмотки понижающего трансформатора, причем входные клеммы электрического эквивалента гальванически развязаны с элементами электрического колебательного контура, а один или несколько дополнительных конденсаторов включены либо с результирующей емкостью, равной емкости активного элемента гидроакустического преобразователя, параллельно первичной обмотке понижающего трансформатора, либо, с пересчитанной с учетом коэффициента трансформации понижающего трансформатора результирующей емкостью, параллельно вторичной обмотке, либо с результирующей емкостью, равной емкости активного элемента гидроакустического преобразователя, одновременно параллельно первичной обмотке понижающего трансформатора и параллельно вторичной обмотке понижающего трансформатора.
Изобретение поясняется следующими рисунками.
а
0
1
На фиг. 1 приведены принципиальная электрическая схема (случай ) и схема замещения (случай б) эквивалента гидроакустического преобразователя с пьезоэлектрическим активным элементом (прототипа) для резонансной (рабочей) полосы частот. Здесь R - потери при электромеханическом преобразовании и сопротивление излучению, r - сопротивление постоянному току катушки индуктивности эквивалента гидроакустического преобразователя, С - емкость активного элемента гидроакустического преобразователя, L - влияние присоединенной массы воды, С - конструктивная жесткость механической колебательной системы гидроакустического преобразователя, R - сопротивления проводников и коммутации.
а
0
0
01
01
*
*
На фиг. 2 приведены самые простые альтернативные принципиальные электрические схемы эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором:  - дополнительный конденсатор 5 с результирующей емкостью С, равной емкости активного элемента гидроакустического преобразователя, включен параллельно первичной обмотке 7 понижающего трансформатора 6; б - дополнительный конденсатор 5 с пересчитанной с учетом коэффициента трансформации понижающего трансформатора 6 результирующей емкостью С включен параллельно вторичной обмотке 8 понижающего трансформатора 6; в - дополнительные конденсаторы 5 с результирующими емкостями C и С, в совокупности равными емкости активного элемента гидроакустического преобразователя, включены одновременно соответственно параллельно первичной обмотке 7 понижающего трансформатора 6 и параллельно вторичной обмотке 8 понижающего трансформатора 6.
а
На фиг. 3 приведены самые простые возможные альтернативные схемы замещения эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором, соответствующие случаям , б и в на фиг. 2.
На фиг. 4 приведено сравнение полученных расчетным путем и путем моделирования зависимостей от частоты реальной части импеданса схемы замещения прямого электрического эквивалента гидроакустического преобразователя прототипа (мелкий пунктир) и схемы замещения электрического эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором (крупный пунктир) с экспериментально измеренной зависимостью для электрического эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором (сплошная линия): m=12.
На фиг. 5 приведено сравнение полученных расчетным путем и путем моделирования зависимостей от частоты мнимой часть импеданса схемы замещения прямого электрического эквивалента гидроакустического преобразователя прототипа (мелкий пунктир) и схемы замещения электрического эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором (крупный пунктир) с результатами экспериментальных измерений на макете электрического эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором (сплошная линия): m=12.
Изобретение иллюстрируется фиг. 2, где представлены самые простые альтернативные варианты реализации предлагаемого изобретения, которые поясняют, но не ограничивают другие возможные варианты реализации изобретения как с  количеством элементов электрического колебательного контура 1, так и с  количеством дополнительных конденсаторов 5 с результирующей емкостью, равной емкости активного элемента гидроакустического преобразователя.
*
*
*
а
Электрический эквивалент гидроакустического преобразователя в общем случае содержит электрический колебательный контур 1, в который последовательно включены в качестве имитирующих в рабочей полосе частот электрические параметры гидроакустического преобразователя реактивных элементов один или несколько конденсаторов 2 с результирующей емкостью С и одна или несколько катушек индуктивности 3 с результирующей индуктивностью L, а в качестве активного элемента один или несколько резисторов 4 с результирующим сопротивлением R. Параллельно электрическому колебательному контуру 1 включены один или несколько дополнительных конденсаторов 5, при этом в схему эквивалента включен понижающий трансформатор 6 с первичной 7 и вторичной 8 обмотками таким образом, что электрический колебательный контур 1 включен в цепь вторичной обмотки 8 понижающего трансформатора 6, а один или несколько дополнительных конденсаторов 5 включены либо с результирующей емкостью, равной емкости активного элемента гидроакустического преобразователя, параллельно первичной обмотке 7 понижающего трансформатора 6 (фиг. 2, случай ), либо, с пересчитанной с учетом коэффициента трансформации понижающего трансформатора 6 результирующей емкостью, параллельно вторичной обмотке 8 (фиг. 2, случай б), либо с результирующей емкостью, равной емкости активного элемента преобразователя, одновременно параллельно первичной обмотке 7 понижающего трансформатора 6 и параллельно вторичной обмотке 8 понижающего трансформатора 6 (фиг. 2, случай в), а входные клеммы 9 и 10 электрического эквивалента гальванически развязаны с элементами электрического колебательного контура 1.
Устройство осуществляет свою работу следующим образом.
вх
C*
L*
При подаче переменного напряжения U на входные клеммы 9 и 10 (см. фиг. 2) первичной обмотки 7 понижающего трансформатора 6 происходит передача энергии из цепи первичной обмотки 7 в цепь вторичной обмотки 8. При этом, с учетом коэффициента трансформации понижающего трансформатора 6, напряжение на вторичной обмотке 8 на электрическом колебательном контуре 1 понижается по сравнению с напряжением на первичной обмотке 7. Таким образом, действующие напряжения на реактивных элементах U и U также понижаются и, с учетом добротности Q электрического колебательного контура 1, составляют
*
*
*
0
где  m - коэффициент трансформации трансформатора 6, R - имитирует потери электромеханического преобразователя и сопротивление излучению, r - сопротивление одной или нескольких катушек индуктивности с результирующим значением индуктивности L, С - результирующая емкость активного элемента гидроакустического преобразователя (пьезокерамического столба), ρ - волновое сопротивление электрического колебательного контура 1; L - имитирует влияние присоединенной массы воды, С - учитывает конструктивную жесткость механической колебательной системы гидроакустического преобразователя.
1
2
1
I-II
I-II
Схемы замещения, учитывающие сопротивление постоянному току одной или нескольких катушек индуктивности r*, сопротивление постоянному току обмоток R и R, индуктивность намагничивания L, межобмоточную и паразитную емкость C и межобмоточное сопротивление R понижающего трансформатора, представлены на фиг. 3. Работа устройства при реализации данных схем замещения происходит аналогичным образом.
а
вх
L*
вх
L*
Понижение напряжения, подаваемого на электрический колебательный контур 1, в m=12 раз (где m - коэффициент трансформации) в схеме замещения (фиг. 3, случай ), позволяет получить при действующем значении напряжения на электрическом эквиваленте гидроакустического преобразователя С=1830 В, действующих значениях силы тока 0,8 А на электрическом эквиваленте гидроакустического преобразователя (входные клеммы 9 и 10) и силы тока в первичной обмотке 7 трансформатора 6 около 0,34 А действующее значение силы тока во вторичной обмотке 8 до 4,1 А при действующем напряжении U=1078B, что для приведенного в статье преобразователя подобной конструкции [Боголюбов Б.Н., Кирсанов А.В., Леонов И.И., Смирнов С.А., Фарфель В.А. Расчет и экспериментальные исследования компактного продольно-изгибного гидроакустического преобразователя с центральной частотой излучения 520 Гц // Гидроакустика. 2015. №23(3). С. 20-26.] с добротностью на уровне 7 оказывается ниже входного напряжения U>U.
а
0
Р
L
Для приведенной на фиг. 1 (случай ) схемы замещения прототипа, где С=132 нФ, R=7170 Ом, L=16,2 Гн и С=5,72 нФ, на резонансной частоте ƒ=530 Гц, действующее напряжение на катушке индуктивности U достигает значения 13000 В, а на активном сопротивлении такого преобразователя рассеивается до 190 Вт.
Согласно результатам расчета импеданса схемы замещения прототипа и моделирования схем замещения электрического эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором в сравнении с экспериментальными данными, полученными по результатам измерений силы тока и напряжения на макете электрического эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором в полосе частот 350-700 Гц, приведенным на фиг. 2, максимальное отличие для этих зависимостей составляет не более 25-30 Ом (около 4%) для действительной (фиг. 4) и 36 Ом (не более 2%) для мнимой (фиг. 5) частей импеданса в рабочей полосе частот (на уровне 0,7 от максимального значения модуля электрического импеданса гидроакустического преобразователя). Максимальное отличие реальной и мнимой частей электрического импеданса схем замещения электрического эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором в сравнении с экспериментальными данными, полученными по результатам измерений силы тока и напряжения на макете электрического эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором составляет не более 2,5-3 Ом (не более 0,5%) для действительной (фиг. 4) и 12 Ом (около 0,5%) для мнимой (фиг. 5) частей импеданса в рабочей полосе частот (на уровне 0,7 от максимального значения модуля электрического импеданса гидроакустического преобразователя).
Из фиг. 4 и фиг. 5 видно, что предлагаемый электрический эквивалент гидроакустического преобразователя обеспечивает совпадение характеристик электрического импеданса с параметрами электрического импеданса прототипа в полосе частот, которая превосходит рабочую полосу частот более чем в 2,5 раза.
0
вх
L*
*
*
*
*
*
Значения параметров элементов макета электрического эквивалента гидроакустического преобразователя с понижающим трансформатором с коэффициентом трансформации m=12; где С=133нФ, R=42,6 0 м, L=85,7 мГн и С=952 нФ, упрощают его изготовление ввиду меньшего значения индуктивности и снижения в 12 раз требований к необходимой электрической прочности изделия. В отличие от прототипа, действующее напряжение на реактивных элементах, в частности, на одной или нескольких катушках индуктивности 3 с результирующим значением индуктивности L, при С=1830 В не превышает U≤1025 В. Таким образом, предложенная в данном изобретении схема электрического эквивалента гидроакустического преобразователя, при практически идентичной с прототипом зависимости электрического импеданса от частоты, понижает напряжение на одной или нескольких катушках индуктивности 3 с результирующей индуктивностью L в m раз:
Это позволяет изготовить электрический эквивалент, обеспечивающий идентичные гидроакустическому преобразователю электрические характеристики, используя реактивный элемент, состоящий из одной или нескольких катушках индуктивности 3, более простой для производства, с меньшей в m раз электрической прочностью, чем для прототипа.
Данный результат особенно значим именно для низкочастотных гидроакустических преобразователей. Кроме того, и стоимость изготовления электрического эквивалента малогабаритного низкочастотного гидроакустического преобразователя высокой удельной мощности, для которого рабочая частота находится в диапазоне сотен герц и акустическая мощность составляет порядка 150 Вт при КПД около 40%, по схеме с понижающим трансформатором в 1,5-2 раза меньше, чем по схеме замещения прототипа. Однако предложенный электрический эквивалент может быть использован для работы других устройств и в других частотных диапазонах.