ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СТЕРЖНЕВОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн навигационных, рыбопоисковых, и другого назначения гидроакустических станций, а также - для систем звукоподводной связи.
Стержневые преобразователи используются во многих гидроакустических системах благодаря удобству их компоновки в антеннах.
Наиболее распространенным является преобразователь, содержащий пьезоактивный стержень, в котором все его части подключены к источнику питания, возбуждаются одним и тем же электрическим напряжением (случай синфазного возбуждения). В этом случае амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) преобразователей в режиме излучения определяются его конструкцией (колебательной системой), см., например [Патент №2147797 РФ «Малогабаритный широкополосный гидроакустический излучатель» / Касаткин Б.А., Касаткин С.Б., Публ. 20.04.2000, H04R 1/44, 17/00] или корректирующими электрическими цепями, включаемых между источником возбуждения и преобразователем, см., например [Пьезокерамические преобразователи / Справочник под ред. Пугачева С.И., Л., Судостроение, 1984, Гл.6 с.170-181. При этом могут быть получены достаточно широкополосные АЧХ излучения. Однако в первом случае достигаемая полоса пропускания составляет 1 октаву (66.7%) и преобразователь в основном предназначен для работы в области сравнительно низких частот - менее 50 кГц, а во втором - существенными оказываются потери энергии в корректирующих электрических цепях, что сказывается на уменьшении уровня излучения, и для таких преобразователей КПД ≤ 50%.
0
0
0
0
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является стержневой гидроакустический преобразователя, изложенный в Патенте №7126878 США «Двухтактный преобразователь типа Tonpilz», Erikson К.R., Публ. 24.10.2006, H04R 17/00. Он содержит пьезоактивный стержень, электрически разделенный на две части, тыльную и фронтальную накладки, генератор сигналов подключенный через блок управления к каждой части пьезоактивного стержня, причем генератор сигналов подключен таким образом, что на одну часть пьезоактивного стержня подается противофазное по отношению к другой части возбуждающее электрическое напряжение U, т.е. на одну часть пьезоактивного стержня подается электрическое напряжение «+U», а на другую - «-U». Причем, указанное соотношение между амплитудами и фазами электрических напряжений, подаваемых на обе части пьезоактивного стержня сохраняется неизменным во всем диапазоне частот. Тот же эффект может быть получен, если пьезокерамические элементы (шайбы); образующую одну часть пьезоактивного стержня, будут поляризованы противоположно по отношению к пьезокерамическим шайбам, образующим его другую часть. При этом обе части пьезоактивного стержня оказываются включенными противофазно друг другу и возбуждаются одним и тем же электрическим напряжением U.
2
0
cp
Недостатком известного преобразователя является то, что разделение на две части пьезоактивного стержня, при условии их противофазного возбуждения (включения), приводит к эффективной работе такого стержневого преобразователя лишь в области частоты F, являющейся его резонансной частотой или первой четной гармоникой преобразователя в случае синфазного возбуждения обеих частей пьезоактивного стержня электрическим напряжением U. Даже если фронтальную накладку этого преобразователя выполнить согласующей, то достигаемая полоса пропускания может составить лишь 35…45%, т.е. менее 1 октавы (ΔF/F≈66.7%).
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в разработке такого гидроакустического преобразователя, который позволяет без усложнения конструкции стержневого преобразователя существенно увеличить его полосу пропускания. Причем, предлагаемое решение может быть использовано и для сравнительно высокочастотных преобразователей (более 50…100 кГц).
ф
ф
ф
ф
k
c
ф
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемой полезной модели так же, как в известном решении, стержневой гидроакустический преобразователь содержит пьезоактивный стержень, электрически разделенный на две части, тыльную и фронтальную накладки, генератор сигналов, причем на одну часть пьезоактивного стержня подается противофазное по отношению к другой части возбуждающее электрическое напряжение. Но, в отличие от известного, значения удельного импеданса z и толщины l фронтальной накладки выбирают из условий:  и l≈0.25l·с/с, где z и z - удельные импедансы материала пьезоактивного стержня и жидкой среды, в которую происходит излучение; l - длина пьезоактивного стержня; c и с - скорости звука в материалах фронтальной накладки и пьезоактивного стержня, а один из выходов генератора сигналов через блок фазовой коррекции, блок управления амплитудой, предварительный усилитель и усилитель мощности соединен с тыльной частью пьезоактивного стержня, а второй выход генератора сигналов через предварительный усилитель и усилитель мощности соединен с фронтальной частью пьезоактивного стержня.
T
Ф
T
1
2
1
2
1
1
2
cp
2
Достигаемый технический результат заключается в возможности дополнительного увеличения полосы пропускания стержневого гидроакустического преобразователя, путем электрически управляемого возбуждения двух частей его пьезоактивного стержня за счет изменения амплитуды и фазы электрического напряжения U, подаваемого на часть пьезоактивного стержня, контактирующую с тыльной накладкой. При этом на другую часть пьезоактивного стержня подается частотно независимое, постоянное по амплитуде и фазе электрическое напряжение U. Изменяя амплитуду и фазу электрического напряжения U можно активизировать работу стержневого гидроакустического преобразователя на трех характерных частотах F≈F/2, 2F≈F и 3F, а также - в областях между ними. Здесь F - резонансная частота пьезоактивного стержня при синфазном возбуждении всех его частей, a F - частота, соответствующая первой четной гармонике стержня. При этом обеспечивается сравнительно малый уровень неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) излучения преобразователя (см. фиг.2) и полоса пропускания может достигать до 2 октав (ΔF/F≈122%) при условии выполнения фронтальной накладки согласующей четвертьволновой на частоте F, являющейся первой четной гармоникой для всего синфазно возбуждаемого пьезоактивного стержня.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 показан пример выполнения стержневого гидроакустического преобразователя, а на фиг.2 - нормированная АЧХ звукового давления.
Предлагаемый преобразователь содержит тыльную 1 и фронтальную 2 части пьезоактивного стержня, фронтальную накладку 3 и тыльную накладку 4, генератор сигналов 5, который через предварительный усилитель 6 и усилитель мощности 7 соединен с фронтальной частью 2 стержня. С тыльной частью 1 пьезоактивного стержня генератор сигналов 5 соединен через блок фазовой коррекции 8, блок управления амплитудой 9, предварительный усилитель 10 и усилитель мощности 11.
1
ф
т
1
2
т
1
2
т
1
Рассмотрим пример работы стержневого гидроакустического преобразователя. От генератора сигналов 5 возбуждающее электрическое напряжение подается по каналу, обозначенному индексом «Ф», через предварительный усилитель 6 и усилитель мощности 7 на фронтальную часть 2 пьезоактивного стержня, контактирующую с фронтальной накладкой 3, а по другому каналу, обозначенному индексом «Т», - через блок фазовой коррекции 8, блок управления амплитудой 9, предварительный усилитель 10 и усилитель мощности 11 на тыльную часть 1 пьезоактивного стержня, контактирующую с тыльной накладкой 4. Блок фазовой коррекции обеспечивает последовательное изменение разности фаз Δφ от ±π до ∓π с ростом частоты от 0 до 4F, между электрическими напряжениями U и U, подаваемыми на указанные части пьезоактивного стержня. При этом в области частоты 2F≈F разность фаз близка к нулю. Знаки «±» и «∓» указывают на два возможных варианта начальных и конечных значений разности фаз на соответствующих частотах между электрическими напряжениями, подаваемыми на две части пьезоактивного стержня. Использование одной пары «+, -» или другой «-, +» принципиально не сказывается на работе преобразователя. Однако переход от одной пары к другой требует небольшой коррекции по соотношению амплитуд возбуждающих напряжений, не изменяя общий характер частотной зависимости U. Блок 9 управления амплитудой электрического напряжения обеспечивает ее изменение с частотой таким образом, чтобы на частоте 2F≈F амплитуда U достигала своего максимального значения, а на указанных крайних частотах (от 0 до 4F) была в 1.5…2.5 раза меньше этого значения.
1
2
1
2
1
Ф
т
т
ф
2
т
1
1
2
1
Ф
Т
1
2
2
1
1
Ф
с
k
Ф
2
Ф
Ф
Ф
ср
6
6
6
Принцип работы стержневого гидроакустического преобразователя заключается в том, что, благодаря выбору параметров фронтальной согласующейнакладки и возможности управления амплитудой и фазой возбуждающих напряжений, формируются три взаимосвязанные области эффективного излучения с базовыми частотами F≈F/2, 2F≈F и 3F. Постепенное изменение фазы (разности фаз Δφ между электрическими напряжениями U и U) и амплитуды возбуждающего электрического напряжения U (относительно U), значения которых в области частоты F соответственно: Δφ - приближается к нулю и U - достигает своего максимального значения, способствуют выравниванию уровня излучения в области между первой и второй нечетными гармониками, т.е. между частотами F и 3F, обеспечивая тем самым полосу пропускания более 100%. Уровень излучения в области первой четной гармоники F≈2F в основном поддерживается за счет разницы в значениях амплитуд U и U, а использование согласующей фронтальной накладки способствует выравниванию АЧХ в областях между частотами F…F и F…3F. Указанные положения иллюстрируются результатами расчетов, показанных на фиг.2, для которой были выбраны следующие частотные зависимости и Δφ=-π(1-F/2F), а значения параметров согласующей фронтальной накладки: удельный импеданс - z=3·10Пa·c/м (z=1.5·10 Па·с/м и z=25·10 Пa·c/м), длина l выбиралась четвертьволновой на частоте F(k,l,=0.25kl, где k=ω/c, k=ω/c, ω=2πF). Полоса пропускания на уровне -3 дБ в данном случае составляет ΔF/F=117%.