ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
HYDROACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструкциям малогабаритных стержневых армированных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы в составе многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем, например, для морского подводного оружия.
Пьезокерамические преобразователи стержневого типа получили широкое распространение как наиболее способные обеспечить высокую эффективность в режимах излучения и приема в газонаполненном варианте конструкций антенн при воздействии высокого гидростатического давления.
Известны конструкции гидроакустических стержневых преобразователей Ланжевеновского типа (tonpilz) с двумя накладками, которые имеют один достаточно широкополосный резонанс за счет использования коэффициента механической трансформации, определяемого отношением площади передней, контактирующей с водной нагрузкой, накладки к площади пьезокерамического элемента, а также выбора материала передней накладки из более легкого металла (например, алюминий).
В зависимости от способа закрепления колебательной системы преобразователя в газонаполненной конструкции антенного устройства и соответственно передачи воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок, различают три основных варианта конструкции стержневых преобразователей: силовую, разгруженную и с частичной разгрузкой (см. Стырикович И.И. Преобразователь стержневой виброустойчивый. // VII международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 8-10 июня 2004, Санкт-Петербург, Труды конференции, с. 186-188.).
Известна конструкция преобразователя многоэлементной антенны (см. патент США №3284761), в которой передняя накладка связана с силовой платой посредством достаточно жесткого с большим поперечным сечением стержня, и для создания предварительного статического сжатия в пьезокерамическом блоке используется упругий элемент в виде тарельчатой пружины, прижатой армирующей резьбовой гайкой. Для предотвращения передачи механических колебаний на корпус антенны в режиме излучения, а также для развязки от корпусной вибрации в режиме приема, колебательную систему преобразователя крепят к силовой плате посредством дополнительных звукоизолирующих элементов (прокладок). Такой способ крепления имеет ограничения по гидростатическому давлению - не более 3 МПа, и кроме того, в области ниже основного резонанса, где обычно выставляются достаточно жесткие требования к неравномерности частотной характеристики, будет иметь место дополнительный резонанс, что также нежелательно.
Для сочетания в большой степени взаимоисключающих требований: высоких уровней излучения и кпд и одновременного обеспечения пониженной чувствительности к вибрациям, при воздействии высокого гидростатического давления до 10 МПа необходима предельная оптимизация технических решений. При построении сложных колебательных систем стержневых армированных преобразователей одновременное достижение поставленных целей возможно путем использования металлических элементов развязки в конструкциях либо с узловым креплением, либо с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов. Для конструкций преобразователей высокочастотного диапазона, а также преобразователей с малым коэффициентом механической трансформации площадей передней накладки и пьезокерамического блока элементов, в связи с ограничениями по габаритам, совмещение элементов армирования, крепления и развязки в одном узле, по схеме с узловым креплением, с использованием опорного фланца, расположенного в узловом сечении армирующей шпильки, невозможно. В этом случае может быть реализован вариант с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов, который является прототипом предлагаемого изобретения (см. Стырикович И.И. Преобразователь стержневой виброустойчивый. // VII международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 8-10 июня 2004, Санкт-Петербург, Труды конференции, с.186-188.).
Конструктивный узел элементов силового армирования, акустической развязки и крепления в этом варианте выполняется по схеме одновременного соединения (посадки) обеих накладок с массивным опорным элементом путем введения отдельного упругого элемента типа тарельчатой пружины, через который тыльная накладка соединяется с массивным опорным элементом. Передняя накладка соединена с последним напрямую посредством стержневого элемента армирования, проходящего с зазором внутри цилиндрической части тыльной накладки. При этом воздействие корпусной вибрации может быть минимизировано путем определенного выбора отношения механических гибкостей упругих элементов узла армирования, контактирующих с обеими накладками, к соответствующему отношению масс этих накладок. Так, при выборе элементов конструкции преобразователя из условия пропорциональности отношения механических гибкостей упругих элементов узла армирования отношению масс накладок одновременно с уменьшением передачи колебаний на корпус антенны в режиме излучения снижается и чувствительность к вибрации корпуса в режиме приема. Этот вариант построения колебательной системы преобразователя с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов по совокупности признаков, и может служить прототипом.
При колебаниях такого преобразователя на низких частотах (вне резонанса), возникающих вследствие корпусной вибрации, заряды, образующиеся на симметричных относительно узлового сечения половинах стержневого блока активных пьезокерамических элементов, должны быть равны по значению и противоположны по знаку.
Однако в реальных условиях, в случае односторонне нагруженной конструкции преобразователя, работающего в режиме резонансных колебаний, имеет место существенная асимметрия акустической нагрузки. Передняя накладка, прилегающая к водной среде, имеет активную составляющую сопротивления излучения, в то время когда тыльная накладка имеет только реактивную составляющую, что вносит существенную разницу в амплитудные и фазовые соотношения колебаний нагруженной и ненагруженной частей преобразователя. Для нейтрализации этой разницы необходима компенсация по активной составляющей сопротивления излучения.
Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритной конструкции гидроакустического стержневого преобразователя, обеспечивающеей работу в режиме приемоизлучения и реализующей закрепление колебательной системы преобразователя, при котором:
а) внешнее гидростатическое давление лишь частично передается на пьезокерамический стержневой блок;
б) вибрационные колебания в режиме приема, передающиеся одновременно на оба торца пьезоблока, минимизированы.
Технический результат заключаются в обеспечении эффективного излучения, в снижении воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок элементов и снижении чувствительности к корпусным вибрациям в режиме приема.
Для достижения этого технического результата в известную по прототипу конструкцию стержневого преобразователя введены новые признаки, а именно в зазоры над и под пружинным коническим кольцевым элементом введены вязкоупругие элементы из акустически мягкого материала.
Сущность изобретения поясняется на чертеже конструкцией гидроакустического преобразователя.
Передняя накладка (1) выполнена из алюминиевого сплава для улучшения согласования с водной нагрузкой и увеличения кпд, тыльная накладка (3) изготавливается из стали. Пьезокерамический блок (2) состоит из набора активных и изолирующих элементов.
Функцию обеспечения механической (акустической) развязки от силового корпуса (7) выполняют пружинный конический кольцевой элемент (6), через который тыльная накладка (3) связана с массивным опорным элементом (4), имеющим проточку по внутреннему диаметру с выступом, центрирующим пружинный конический кольцевой элемент, обращенный вершиной конуса к массивному опорному элементу, и стержневой элемент (5), по резьбовой части которого осуществляется силовое армирование путем закручивания массивного опорного элемента.
Вязкоупругие элементы (8) и (9) склеены с поверхностями элементов (3) и (4), а также с поверхностями пружинного конического кольцевого элемента (6).
Функционирование устройства осуществляется следующим образом.
При работе пружинного конического кольцевого элемента (6), на его наружной поверхности (кромке) возникают напряжения сжатия, а на внутренней - растяжения, и слои элементов, прилегающих к поверхностям пружинного конического кольцевого элемента (6), испытывают деформации сжатия (8) и растяжения (9) соответственно, а т.к. слои элементов, прилегающие к поверхностями элементов (3) и (4), неподвижны, то в элементах (8) и (9) имеют место сдвиговые и объемные деформации, при которых потери в вязкоупругих материалах максимальны.
При затяжке (в процессе силового армирования) с помощью элемента (4) по резьбовой части стержневого элемента шпильки (5), в последнем создаются растягивающие напряжения, и сжимающие напряжения - в упругом пружинном кольцевом элементе (6), присоединенном к тыльной накладке (3), а также в пьезокерамическом блоке элементов (2).
При воздействии гидростатического давления упругий пружинный элемент (6), через который тыльная накладка (3) связана с опорным элементом (4), и стержневой элемент (5) механически включены параллельно, и на пьезокерамический блок (2) передается не полное усилие, а только часть его, и при соответствующем выборе механических гибкостей стержневого элемента и упругого пружинного элемента это усилие может составлять половину (при их равенстве) и менее от внешнего.
В динамическом режиме колебательная система работает таким образом, что излучение или прием полезных сигналов осуществляется передней накладкой со стороны водной среды, а передача колебаний в режиме излучения на силовой корпус, равно как и передача вибраций корпуса на пьезокерамический блок в режиме приема, минимизированы за счет пропорциональности отношения механических гибкостей вязкоупругих элементов ,контактирующих с обеими накладками к отношению их масс.
При этом вязкоупругие элементы (8) и (9), введенные в зазор между плоскими поверхностями тыльной накладки (3) и массивного опорного элемента, вносят дополнительную активную составляющую сопротивления, компенсирующего разницу в амплитудных и фазовых соотношениях скоростей колебаний нагруженной и ненагруженной накладок преобразователя, при воздействии вибраций корпуса в режиме приема. Поскольку дополнительное активное сопротивление вводится в цепь тыльной накладки, которая обычно выполняется по массе большей, чем передняя, то заметного ухудшения основных параметров преобразователя (чувствительности по давлению в приеме и чувствительности в излучении) не происходит, а виброустойчивость увеличивается в 3-5 раз.
В описанной выше конструкции преобразователя реализованы все отличительные признаки, благодаря которым и достигается заявленный положительный эффект, а именно обеспечение эффективного излучения в резонансной области частот, при снижении воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок элементов и снижении чувствительности к корпусным вибрациям (увеличении виброустойчивости) в режиме приема.
Таким образом, введение новых признаков позволяет получить заявленный положительный эффект и использовать такие конструкции при воздействии высокого гидростатического давления до 10 МПа в воздухо-газозаполненном варианте антенн.