НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРОДОЛЬНО-ИЗГИБНЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована в качестве излучателя в антеннах радиогидроакустических буев и в гибких протяженных буксируемых излучающих антеннах.
Известны низкочастотные изгибно-продольные гидроакустические пьезокерамические преобразователи-излучатели, содержащие активный стержневой элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус бочкообразной формы, имеющий максимальный диаметр на торцах, а минимальный на половине высоты, торцевые крышки и герметизирующее покрытие [1, 2].
Излучение известных продольно-изгибных преобразователей производится за счет изгибных колебаний корпуса, возбуждаемого продольными колебаниями активного элемента.
Недостатком известных низкочастотных продольно-изгибных гидроакустических пьезокерамических преобразователей является низкая надежность (малая наработка на отказ).
Недостаток известных продольно-изгибных низкочастотных гидроакустических пьезокерамических преобразователей объясняется значительными динамическими и статическими напряжениями в ряде точек корпуса [3].
От указанного выше недостатка свободен известный продольно-изгибный низкочастотный гидроакустический пьезокерамический преобразователь [3], содержащий активный стержневой элемент, армированный стяжкой, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус бочкообразной формы, в котором проделаны профильные аксиальные прорези, имеющий максимальный диаметр на торцах, а минимальный - на половине высоты, и переменную по высоте толщину стенки, уменьшающуюся к центру, обеспеченную тем, что ее внешняя и внутренняя поверхности представляют собой дуги окружностей различных радиусов, торцевые крышки и герметизирующее покрытие.
Переменная по высоте корпуса толщина его стенки увеличивает надежность известного гидроакустического преобразователя вследствие уменьшения механических напряжений в его корпусе [3].
Известный преобразователь наиболее близок к предлагаемому по количеству общих признаков и вследствие этого выбран за прототип.
Недостатком известного низкочастотного продольно-изгибного гидроакустического пьезокерамического преобразователя является зависимость его резонансной частоты от внешнего гидростатического давления (глубины погружения).
Указанный недостаток объясняется тем, что под действием гидростатического давления уменьшается радиус кривизны корпуса и вследствие этого, повышается резонансная частота колебательной системы активный элемент-корпус [3].
Техническим результатом полезной модели является уменьшение зависимости резонансной частоты низкочастотного продольно-изгибного гидроакустического пьезокерамического преобразователя от гидростатического давления.
Для обеспечения указанного технического результата в известном низкочастотном продольно-изгибном гидроакустическом пьезокерамическом преобразователе, содержащем армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус бочкообразной формы, с аксиальными профильными прорезями на боковой поверхности, имеющий максимальный диаметр на торцах, минимальный на середине высоты, и переменную по высоте толщину стенки, уменьшающуюся к центру; торцевые крышки и герметизирующее покрытие, введен новый признак, а именно: образующие внутренней и внешней поверхностей корпуса бочкообразной формы являются параболами.
Наилучший результат достигается в случае, если радиус кривизны внешней и внутренней стенок корпуса определены, соответственно, соотношениями
где (у, х) мм - координаты точки в системе координат с центром в точке, находящейся на внешней поверхности цилиндрического корпуса посредине его высоты.
Для удобства встраивания заявленного преобразователя в гибкую протяженную буксируемую антенну армирование активного стержневого элемента может быть выполнено
с помощью торцевых крышек в виде гаек, в которых могут быть проделаны отверстия для прохождения транзитных проводов.
Форма образующих в виде парабол, как имеющая наименьшее изменение радиуса кривизны при действии гидростатического давления, была подобрана расчетным путем. Поскольку резонансная частота продольно-изгибного преобразователя определяется формой бочкообразного корпуса, минимизация изменений радиуса кривизны образующих корпуса под давлением приводит к минимизации изменения резонансной частоты преобразователя от давления.
Сущность полезной модели поясняется Фиг.1 и Фиг.2, на которых соответственно приведены внешний вид преобразователя и его корпуса.
На Фиг.1 представлен низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь для гибкой протяженной буксируемой антенны. Он содержит цилиндрический активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб 1, имеющих отверстия по центру, и корпус 2, выполненный в форме бочки, образующие внешней и внутренней стенок которой имеют форму парабол, радиусы кривизны которых определяются выражением (1). Торцевые крышки 3, выполнены в виде гаек, герметизирующее покрытие 4, например, из резиновой трубки 36×2 НО-68-1 НТА-ТУ 38.105.1959-90 (Фиг.1). Крышки активного элемента имеют центральные отверстия для пропуска транзитных проводов, которые проходят во внутренней полости активного элемента. Торцевые крышки 3 являются армирующим элементом.
Ширина прорезей 5 (Фиг.2) выбирается из условия непроникновения герметизирующей резины в прорези при максимальном рабочем гидростатическом давлении. Такой преобразователь встраивается в шланг, заполненный электроизоляционным материалом.
Если заявленный преобразователь не имеет общего контура герметизации в антенне и работает как самостоятельный герметичный излучатель, торцевые крышки 3 выполняются сплошными.
Предложенный низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь работает следующим образом. При подаче на активный элемент, состоящий из заполяризованных по толщине пьезокерамических шайб, возбуждающего электрического напряжения вследствие обратного пьезоэффекта система активный элемент-корпус начинает механические колебания, возбуждая упругие колебания в воде.
Испытания, проведенные нами в заглушенном при помощи деревянных клиньев баке высокого давления, показали что в диапазоне изменения давления 0-2,0 МПа (что соответствует изменению глубины 0-200 м) изменение резонансной частоты составляет 0,35 Гц/м, в то время как у устройства-прототипа более 1 Гц/м [3].
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает достижение заявленного результата.
Источники информации:
1. Патент US 4922470
2. Патент US 5136556
3. Quer R., Dasseux Ch. Increasing depth capability of ″Diabolo″ flextensional transducer for active linears arrays. // Proceedings of the Institute of Acoustics. 1999, v.21, Pt.1, pp.117-121.