НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРОДОЛЬНО-ИЗГИБНЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Предполагаемая полезная модель относится к области гидроакустики, а именно, к созданию низкочастотных излучателей.
Продольно-изгибные гидроакустические пьезокерамические преобразователь нашли заметное применение в активных буксируемых антеннах гидролокаторов, при исследованиях Мирового Океана, для формирования систем экологически безопасного сейсмопрофилирования морского дна в прибрежных районах с высоким разрешением в интересах сейсморазведки шельфовых нефтегазовых месторождений.
Расчеты продольно - изгибных преобразователей основываются на современных методах конечных элементов (МКЭ) и граничных элементов (МГЭ).
Конструкции излучателей и способы их изготовления описаны в целом ряде патентов отечественных и зарубежных авторов (например, патенты США №№4922470, 5136556, 6535459, патент полезная модель РФ №81104).
Известен продольно-изгибный излучатель по патенту США №5136556.
В патенте описан продольно-изгибный преобразователь, содержащий ряд вогнутых внутрь планок, которые окружают стержневой активный элемент, склеенный из пьезокерамических шайб, поляризованных по толщине. По обоим концам к активному элементу присоединены плоские торцевые многоугольные пластины. Сам активный элемент упрочняется (армируется) с помощью стяжки, проходящей внутри шайб. Вогнутые внутрь планки прикрепляются на обоих концах к граням плоских пластин. Между планками имеются зазоры, позволяющие уменьшить жесткость системы в окружном направлении.
В режиме излучения преобразователь работает следующим образом. При подаче переменного электрического напряжения на стержневой пьезокерамический активный элемент он начинает совершать продольные колебания вдоль своей оси. Эти колебания через торцевые пластины передаются на вогнутые планки, которые в свою очередь начинают совершать поперечные колебания изгиба в направлении, перпендикулярном оси преобразователя. Резонансная частота преобразователя определяется в основном резонансной частотой поперечных изгибных колебаний планок, которая существенно ниже резонансной частоты активного элемента. При этом амплитуда изгибных колебаний планок за счет механической трансформации в несколько раз превосходит амплитуду осевых колебаний активного элемента.
Эффективность работы продольно-изгибного преобразователя во многом зависит от жесткости и надежности прикрепления планок к граням плоских торцевых пластин. В патенте US 5136556 концевые части планок крепятся к граням торцевых пластин с помощью винтов, проходящих через отверстия в планках и ввернутых в резьбовые отверстия в грани торцевых пластин. В патенте США №4922470 для этой цели используются винты и клей.
По наибольшему числу общих признаков с предполагаемой полезной моделью в качестве прототипа выбран преобразователь по патенту США №6535459. Преобразователь содержит две круглые плоские торцевые пластины, расположенный между ними и скрепленный с ними стержневой пьезокерамический активный элемент, армирующую стяжку, ряд вогнутых криволинейных планок, прикрепленных на концах по контуру торцевых пластин и герметизирующий резиновый чехол, надеваемый на криволинейные планки. Особенностью преобразователя-прототипа является крепление вогнутых планок к круглым плоским торцевым пластинам. Для этого у каждой планки на концах имеется утолщение, которое обработано со стороны крепления к торцевой пластине в виде участка цилиндрической поверхности с радиусом, равным радиусу торцевой пластины. Планки предварительно закрепляются на торцевой пластине и обрабатываются по кругу на токарном станке. Далее на эту систему надевается разогретая обечайка, которая при охлаждении плотно прижимает концы планок к торцевой пластине. Завершающая операция - надевание резинового герметизирующего чехла на вогнутые планки.
К недостаткам конструкции преобразователя-прототипа следует отнести следующее. Как следует из описания изобретения, соединение концов планок с торцевой пластиной происходит по двум криволинейным поверхностям одинакового радиуса. В то же время практика показывает, что в случае криволинейных поверхностей добиться полного и равномерного прилегания двух поверхностей по всей площади соприкосновения не удается. Нарушение целостности крепления планок к пластинам приводит к нарушению работы преобразователя: изменяется частотная характеристика акустического давления преобразователя (повышается резонансная частота преобразователя), уменьшается коэффициент электромеханической трансформации и соответственно отдаваемая акустическая мощность и создаваемое акустическое давление.
Кроме того, прижатие планок к торцевой пластине с помощью сильно разогретой обечайки в случае торцевых пластин диаметром более 20 см затруднительно из-за возможных перекосов обечайки при насадке, что не обеспечивает надежное крепление всех планок к пластине и также приводит к изменению частотной характеристики акустического давления преобразователя, к снижению акустической мощности и акустического давления.
Задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции преобразователя, лишенной недостатков преобразователя-прототипа.
Техническим результатом полезной модели является улучшение электроакустических характеристик заявленного преобразователя: улучшение частотной характеристики акустического давления преобразователя, повышению акустической мощности и создаваемого акустического давления.
Для достижения указанного технического результата в низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический преобразователь, содержащий корпус и активный стержневой элемент, склеенный из пьезокерамических шайб, поляризованных по толщине, и электродов между ними, причем активный стержневой элемент скреплен центральной армирующей стяжкой с двумя торцевыми пластинами, а корпус образован криволинейными вогнутыми металлическими планками, скрепленными по концам с боковыми поверхностями торцевых пластин, также содержащий две обечайки, прижимающие концы этих планок к боковым поверхностям торцевых пластин, герметизирующий резиновый чехол и электрические вводы, введены новые признаки, а именно: торцевые пластины выполнены в виде многоугольника в плане, участки боковых поверхностей торцевых пластин как и ответные внутренние поверхности скрепляемых с ними концов криволинейных вогнутых металлических планок выполнены плоскими, а наружные концы криволинейных металлических планок, установленных на поверхностях торцевых пластин, обработаны по кругу.
Наилучший результат обеспечивается, если обечайки выполнены из металла, а прижим концов планок осуществляется прессовой посадкой обечаек.
Наиболее технологичным является выполнение обечаек намоткой нескольких слоев стеклонити с клеящим связующим с последующей полимеризацией связующего
В предложенной конструкции удается обеспечить полное соприкосновение поверхностей концов криволинейных вогнутых металлических планок и боковых поверхностей торцевых пластин, поскольку эти поверхности плоские. В результате достигаются оптимальные условия закрепления криволинейных вогнутых металлических планок и высокие значения акустической мощности и звукового давления при требуемой низкой резонансной частоте.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, 2. где на фиг. 1 представлен продольный разрез заявленного преобразователя, а на фиг. 2 - разрез по плоскости AA.
Преобразователь содержит активный стержневой элемент 1, склеенный из пьезокерамических шайб 2 с электродами 3 между ними, плоские торцевые многоугольные пластины 4, армирующую стяжку 5, проходящую через центр активного стержневого элемента, электрический монтаж 6, соединенный с электрическими вводами 7, проходящими через одну из торцевых пластин, корпус, образованный вогнутыми криволинейными планками 8, скрепленными на концах своими плоскими поверхностями с плоскими боковыми поверхностями торцевых пластин, металлические обечайки 9, герметизирующий резиновый чехол 10 и герметизирующий слой полиуретана 11.
Сборка предлагаемой конструкции продольно-изгибного преобразователя производится в следующем порядке. К склеенному из пьезокерамических шайб 2 с электродами 3 между ними активному стержневому элементу 1 присоединяются торцевые многоугольные пластины 4. Армирующая стяжка 5, проходящая через центр активного стержневого элемента скрепляет активный элемент и торцевые пластины 4, активный элемент электрически монтируется. Монтаж 6 соединяется с электрическими вводами 7, проходящими через одну из торцевых пластин. Вогнутые планки 8 своими концами, которые имеют внутреннюю плоскую поверхность, присоединяются к плоским граням торцевых пластин. Наружные концевые поверхности после присоединения всех планок обрабатываются по кругу для удобства установки обечаек прессовой посадкой. Этим достигается жесткий и надежный прижим концов планок к торцевым пластинам. Другой способ надежного крепления концов планок к торцевым пластинам состоит в том, что в качестве обечайки используется намотка нескольких слоев стеклонити с клеящим связующим с последующей полимеризацией. Последние операции - надевание резинового чехла 10 и закрепления его на торцевых пластинах и заливка герметизирующего слоя полиуретана 11 на торцевые пластины 4.
Предлагаемый продольно-изгибный преобразователь работает следующим образом. При подаче переменного электрического напряжения на активный стержневой элемент он начинает колебаться в осевом направлении. Эти колебания передаются через торцевые пластины на криволинейные вогнутые планки, которые в свою очередь начинают совершать поперечные колебания изгиба с амплитудой, существенно превышающей амплитуду колебаний активного элемента. При этом резонансная частота предлагаемого преобразователя определяется в основном резонансной частотой изгибных колебаний, т.е. может быть весьма низкой. Одновременно реализуются высокие значения коэффициента электромеханической трансформации, акустической мощности и акустического давления.
Таким образом, следует считать, что заявленный технический результат достигнут.
В настоящее время в ОАО « Концерн «Океанприбор» разработаны рабочие чертежи и изготавливается продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь на частоту 300 Гц. Его масса 50 кг, длина 496 мм, диаметр 326 мм.