Глубоководный широкополосный гидроакустический преобразователь
DEEP-WATER BROADBAND HYDROACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах излучения и приема гидроакустических сигналов антенн профилографов, систем связи и передачи информации необитаемых глубоководных подводных аппаратов, маяков-ответчиков.
Основными определяющими требованиями, предъявляемыми к предлагаемому преобразователю, являются:
- широкополосность - способность эффективно работать в заданном направлении в пространстве в низкочастотном диапазоне частот шириной 1,5-2 октавы;
2
- стабильность параметров и механическая прочность для работы при сверхбольших гидростатических давлениях (до 600 кг/см);
- малые габаритные размеры и масса преобразователя.
При выборе аналогов рассматривались преобразователи, использующие разные принципы конструирования колебательной системы:
- преобразователи арочного типа, приближающиеся по принципу работы к цилиндрическому и пластинчатому типу;
- стержневые преобразователи.
Известна конструкция гидроакустического преобразователя арочного типа по патенту России №1840213, содержащая две идентичные изогнутые прямоугольные рабочие пластины, закрепленные на шарнирных опорах и размещенные симметрично вогнутостью в сторону механической нейтрали колебательной системы преобразователя.
Достоинством таких преобразователей является возможность их использования на средних глубинах (до 400 м), когда требуется повышенная устойчивость к внешнему давлению при сохранении максимальной эффективности и малых габаритных размеров.
Недостатками конструкции являются малая механическая прочность при воздействии требуемого гидростатического давления 30-60 МПа, а также необходимость создания тыльного глубоководного звукоотражающего экрана.
Известен патент России №2121771 представляющий собой гидроакустический низкочастотный стержневой пьезокерамический преобразователь маслозаполненной конструкции, пьезокерамический элемент которого заключен между двумя металлическими накладками, а герметичный корпус которого, образующий перед передней накладкой жидкостнозаполненную цилиндрическую полость, снабжен жестким фланцем, установленным на наружную поверхность передней части корпуса и имеющим поперечное сечение в виде квадрата с круговым отверстием, равным внутреннему диаметру полости.
Достоинством таких преобразователей является их глубоководность.
Недостатками такого преобразователя, как и вышеупомянутого, является малая широкополостность и низкая эффективность из-за необходимости использования в преобразователе большого объема пассивного материала.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по совокупности общих признаков является конструкция свободно обтекаемого цилиндрического «водозаполненного» преобразователя, приведенного в J. Acoust. SOC. Am v 36, №3 528-533, 1964. G.W. Mc Mahon. Performance of open ferroelectric ceramic cylinders in underwater transcucers.
Согласно описанию прототипа преобразователь представляет собой цилиндрическое кольцо, наружная, внутренняя и торцевые поверхности которого герметизированы, а внутренний объем заполнен водой. При этом широкополосность такого преобразователя достигается использованием при работе 2-х резонансов:
- резонанса столба жидкости, заключенного внутри цилиндра;
- резонанса пьезокерамического цилиндра (с использованием радиальных колебаний нулевой моды по окружности кольца).
cp
Для повышения эффективности и равномерности частотных характеристик такого преобразователя отношение его высоты к среднему диаметру должно составлять h/D=0,5÷0,7.
сж
2
Механическая прочность преобразователя обеспечивает возможность его работы без ограничений по глубине, так как все элементы его конструкции находятся под всесторонним давлением и имеют высокий предел прочности (σ≥2000 кГс/см).
Преобразователь обладает высокой эффективностью в полосе частот до двух октав, что обусловлено возможностью использования резонанса столба жидкости (воды), находящегося в его внутреннем объеме, на частотах в 1,5-2 раза ниже частоты резонанса основной формы колебания (нулевой моды радиальных колебаний по окружности кольца). При этом характеристика направленности является ненаправленной в горизонтальной плоскости при ширине в вертикальной плоскости ±(35-45)° от плоскости, перпендикулярной оси симметрии.
Это не позволяет сформировать однонаправленное излучение (прием сигналов) с требуемой шириной ХН в вертикальной плоскости преобразователя, что снижает точность эхолокации и ухудшает скрытность гидролокатора.
В нашем случае для повышения точности эхолокации, повышения скрытности передачи сигналов связи и др. необходимо, по-возможности, не уменьшая эффективности такого преобразователя, уменьшить ширину характеристики направленности, развернув ее максимум вдоль оси симметрии.
Поэтому основной задачей изобретения является создание сверхглубоководного широкополосного преобразователя, формирующего одностороннюю ХН в вертикальной плоскости, максимум которой направлен вдоль его оси симметрии в рабочем диапазоне частот.
2
Технический результат от внедрения предложения заключается в обеспечении однонаправленного излучения малогабаритного приемно-излучающего широкополосного преобразователя, работающего длительное время при сверхбольших (до 600 кГс/см) гидростатических давлениях.
Для достижения указанного технического результата в глубоководный широкополосный гидроакустический преобразователь, выполненный в виде полого водозаполненного цилиндра, открытого с одного торца и герметизированного по всей поверхности полимером, введены новые признаки, а именно: на боковую цилиндрическую и тыльную поверхности полого водозаполненного цилиндра установлен акустический экран в виде усеченного конуса, состоящий из двух частей: внутренней, изготовленной из высокопрочного композитного материала, и внешней - в виде металлической конической оболочки, установленной с технологическим зазором на наружную поверхность композитной части экрана, так, что вместе они образуют двухслойную конструкцию в виде усеченного конуса, при этом основание тыльного экрана установлено с технологическим зазором на корпус носителя, а угол наклона боковой поверхности усеченного конуса к корпусу носителя составляет 20-40°.
Наилучший результат достигается, если в качестве высокопрочного композитного материала использован сферопластик.
Заявленный преобразователь осуществляет излучение и прием акустических сигналов открытой внутренней водозаполненной полостью, а экранирование боковой и тыльной поверхности экраном предложенной конструкции обеспечивает однонаправленное излучение и прием в направлении его оси.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг.  1 представлен общий вид конструкции заявленного преобразователя, а на фиг. 2 - его характеристики направленности в вертикальной плоскости на частотах: фиг. 2а-f = 3000 Гц, фиг. 2б-f = 4000 Гц, фиг. 2в-f = 5000 Гц, фиг. 2г-f = 6000 Гц, фиг. 2д-f = 10000 Гц, фиг. 2е-f = 12000 Гц.
Представленный на фиг. 1 преобразователь, выполнен в виде сборной конструкции, состоящий из двух основных частей: пьезокерамического полого цилиндра 1 и акустического экрана, состоящего из композитной части экрана 3 и металлической оболочки 4, и установлен на корпус носителя 5. На фиг. 1 также обозначено наличие забортной воды 6 и водяных зазоров 7 между композитным материалом экрана и оболочкой 4 и корпусом 5.
с
с
c
c
6
2
Композитная часть экрана (3) изготовлена из сферопластика, волновое сопротивление которого ρс~1,6⋅10 кг/м с, где ρ - плотность сферопластика, c - скорость продольных волн в сферопластике. Механическая прочность применяемого сферопластика из материала СИНЛЭЙ обеспечивает его эффективную работу до глубин ~6000 м.
Внешняя часть экрана 4 - тонкостенная металлическая оболочка из алюминиевого сплава толщиной 5 мм.
Активная часть преобразователя - представляет собой секционированный полый цилиндр, выполненный из пьезокерамики состава ЦТБС-3, герметизованный по наружной, внутренней и торцевым поверхностям полиуретановым компаундом 2.
Электрический ввод осуществляется кабелем типа СМПЭВГ100-1000, 2×1,5.
Преобразователь с экраном установлен тыльной частью экрана на корпус носителя 5 с малым водяным зазором.
Работа заявленного преобразователя с экранами происходит следующим образом: активный элемент - полый водозаполненный цилиндр 1 - совершает радиальные колебания нулевого порядка по радиусу окружности. При этом амплитуды колебаний наружной и внутренней поверхностей кольца близки по величине и противоположны по знаку. Продольные волны, распространяющиеся в боковой композитной (сферопластик) части экрана, попадая на границы разделов сферопластик - металл – вода, приводят к возникновению изгибной поверхностной волны, распространяющейся вблизи их границ раздела, отражаясь от границы экрана в его тыльную часть. Так как в воде поперечные волны не распространяются, то вклад колебаний наружной поверхности пьезокерамического кольца (являющихся противофазными по отношению к колебаниям жидкости, находящейся во внутреннем объеме) не искажает существенно вида ХН преобразователя, и излучение преобразователя в основном осуществляется торцевой поверхностью столба жидкости, заключенной внутри цилиндра.
0,7
Расчет параметров и отработка методики расчетов модели выполнялись методом конечных элементов с использованием программного обеспечения ANSYS. Рассчитывались характеристики направленности преобразователя на дискретных частотах диапазона от 3 до 12 кГц. При этом широкополосность заявляемой конструкции определялась по параметрам характеристик направленности преобразователя: ширине характеристики направленности в диапазоне рабочих частот, уровнем тыльного излучения и видом бокового поля. На фиг. 2 показано, что ширина характеристики направленности в широком диапазоне частот от 3 до 12 кГц (фиг.2а-е) составляет Δϕ=(20-60) градусов, уровень тыльного излучения составляет (0,1-0,35) от уровня сигнала на максимуме характеристики направленности, что является приемлемым требованием, предъявляемым к глубоководным системам рассматриваемых типов изделий.
2
Рассмотренная конструкция обеспечивает стабильную работу при изменении внешнего гидростатического давления до 600 кГс/см, обладает меньшим весом по сравнению с приборами других конструкций (например, с использованием стержневых маслозаполненных преобразователей). При этом сам активный элемент находится под всесторонним давлением и не имеет ограничений по глубине. Прибор является широкополосным, имеет стабильные амплитудно-частотные характеристики и мало меняющиеся XH в широком диапазоне частот.
3
3
Композитные материалы экранов с плотностью 0,8⋅10 кг/м в настоящее время также нашли широкое применение при создании высокопрочных изделий, имеющих малый вес. Были проведены экспериментальные проверки методики расчета на акустических аналогах, показавшие хорошее совпадение экспериментальных и расчетных параметров.
Приведенные сведения позволяют считать, что заявленный технический результат достигнут.