ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК
CYLINDRICAL PIEZOCERAMIC RECEIVER

I. Введение.
При использовании цилиндрических пьезокерамических элементов в качестве приемников звукового давления на низких частотах необходимо применять специальные меры, обеспечивающие уменьшение их чувствительности к вибрации (повышение виброустойчивости). Требование повышенной виброустойчивости приобретает особое значение при использовании цилиндрических приемников в гибких шланговых (или кабельных) антеннах, буксируемых за надводным или подводным кораблем. Известная конструкция виброустойчивого цилиндрического приемника выполнена из двух идентичных пьезокерамических цилиндров, склеенных торцами с металлическим диском, через посредство которого и осуществляется крепление приемника к антенне. Такой приемник обладает высокой виброустойчивостью лишь в том случае, когда элементы крепления к антенне и элементы, герметизирующие внутреннюю полость приемника, не связаны механически друг с другом (помимо того, что они соединены пьезокерамическим цилиндром).
В результате практически отсутствует возможность использовать внутренний объем цилиндра для размещения транзитных токонесущих жил и силовых элементов антенны, что приводит к необходимости увеличения наружного диаметра кабеля (шланга) и, соответственно, к увеличению объема и веса всей антенны (пропорционально квадрату диаметра). Это осложняет решение вопросов размещения и эксплуатации антенны на корабле. Кроме того, увеличение диаметра приводит к увеличению площади наружной поверхности антенны, т.е. к пропорциональному росту буксировочного усилия, что также нежелательно. Приемник предлагаемой конструкции, обладая достаточно высокой виброустойчивостью, позволяет осуществлять транзит жил в пределах поперечного сечения цилиндрического активного элемента и, таким образом, позволяет существенно уменьшить диаметр всей антенны, а следовательно, и ее вес, объем и т.п.
II. Описание.
Предлагаемый цилиндрический приемник (см. фиг.1) состоит из двух пьезокерамических цилиндров разного диаметра (1 и 2), расположенных коаксиально и соединенных с небольшим воздушным зазором (3) через герметизирующие кольцевые втулки (4).
Электроды, нанесенные на боковые поверхности обоих цилиндров, должны быть соединены навстречу, т.е. при параллельном включении элементов должны соединяться вместе электроды различной полярности (так, как показано на фиг.1, где полярность обозначена знаками плюс и минус). При таком соединении электрические сигналы от вибрации, прикладываемой к торцам приемника (W), возникающие на обкладках наружного (1) и внутреннего (2) цилиндров, будут компенсировать друг друга, а сигналы от давления, воздействующего на цилиндры со стороны среды (Р), будут складываться в фазе.
Путем использования цилиндров, имеющих одинаковую чувствительность к вибрации, можно свести чувствительность приемника к вибрации теоретически до нуля.
Внутренняя полость приемника (5) остается свободной. В случае необходимости она может быть выполнена герметичной, при этом конструкция приемника в целом может упроститься и стать более надежной, однако чувствительность к давлению в этом случае понизится в два раза за счет уменьшения рабочей поверхности.
К достоинствам предлагаемого приемника относится то, что он позволяет получить большую удельную чувствительность, чем рассматриваемый прототип, при тех же продольных размерах, или сократить размеры при сохранении чувствительности, что также весьма важно при конструировании буксируемых антенн.
Принципиальной особенностью предлагаемой конструкции является то, что торцы наружного и внутреннего цилиндров должны быть жестко соединены друг с другом.
Для того чтобы это не привело к заметному снижению чувствительности приемника к звуковому давлению, следует использовать не слишком короткие цилиндры. Некоторые рекомендации в этом отношении могут быть даны после рассмотрения напряжений, возникающих в цилиндрах с идеализированными граничными условиями, изображенных на фиг.2, при воздействии на них одностороннего равномерного давления.
Зависимость величины механического напряжения от расстояния до торца определяется для рассматриваемых случаев следующим образом (1):
0
а) цилиндр со свободными торцами: σ(x)=σ
0
-βx
б) цилиндр с опертыми торцами: σ(x)=σ[1-e],
0
-βx
в) цилиндр с закрепленными торцами: σ(x)=σ[1-e(cosβx+sinβx)]
где , a - радиус цилиндра, h - толщина стенки.
На фиг.3 представлены зависимости  для всех трех случаев. Видно, что по сравнению со свободным цилиндром для цилиндра с опертым торцом наблюдается некоторое уменьшение величины механических напряжений при приближении к опоре. Для цилиндра с закрепленным торцом этот эффект выражен сильнее. Очевидно, на практике реализуется промежуточный случай (между б и в).
0
0
Уменьшение величины абсолютной чувствительности пропорционально отношению площадей, ограниченных осью абсцисс и соответствующими кривыми (а, б, в), поэтому участки цилиндра, для которых снижение σ(x) существенно, рационально отключать. При этом, если отключать часть x, определяемую условием βx≤1, уменьшение абсолютной чувствительности будет не более 10%. Если выбирать далее длину цилиндра l из условия βl≥5, то общее снижение приведенной чувствительности с учетом уменьшения емкости будет не более 20%. Из последнего условия следует, что
0
Так, например, при a=10 мм, h=1 мм l≥25 мм, а x=2,5 мм.
Таким образом, ограничения, накладываемые на соотношение геометрических размеров закреплением торцов, не создают затруднений при конструировании, а их учет позволяет обеспечить сохранение высокой чувствительности звукоприемника к полезному сигналу.