Конструкции стержневых преобразователей

Размещено на http://www.allbest.ru//

Конструкции стержневых преобразователей

Известны конструкции стержневых преобразователей с накладками, состоящие из активной части ? пьезокерамических элементов типа шайб и пассивной части ? излучающей и "нерабочей" накладок, болтов или шпилек, используемых для предварительного напряжения (армирования) пьзокерамики, и элементов крепления к корпусу изделия. Если пьезокерамические элементы в таких преобразователях имеют малый внутренний диаметр, то отношение площадей поперечного сечения излучающей накладки и керамики мало, добротность преобразователей велика (Q>10) и согласование ее с водной средой неоптимально. Реактивная составляющая сопротивления такого преобразователя в области резонанса меняет знак, в результате чего усложняется его согласование с аппаратурой.

Кроме того, в известных конструкциях выполняют крепление преобразователей к корпусу либо за "среднюю линию" (в узле колебательной скорости) посредством размещения в середине керамической секции (для симметричного преобразователя) металлического диска с внешним диаметром, большим диаметра пьезокерамической шайбы, толщина которого обеспечивает прочность конструкции, либо за излучающую или "нерабочую" накладку с помощью акустических развязок типа "гофр", "гибкий воротник", резонансных металлических стержней большей гибкости по сравнению с преобразователем, резин, бумажных и других прокладок.

Недостатками существующих конструкций преобразователя являются:

- нарушение режима работы колебательной системы за счет наличия деталей крепления к корпусу, а следовательно, уменьшение коэффициентов электромеханической связи и полезного действия;

- нестабильность параметров развязок при изменении гидростатического давления;

- большие поперечные и продольные габариты конструкции,

- влияние вибраций корпуса на работу преобразователя в случае крепления за излучающую или "нерабочую" накладки.

В работе [1] предложен стержневой преобразователь свободный от этих недостатков. Для этого армирующая шпилька преобразователя снабжена пояском, расположенным в узловой плоскости преобразователя, а крепежная деталь, соединенная с пояском шпильки, расположена внутри тонкостенной керамической секции, и через прорези, выполненные в задней "нерабочей" накладке, проходит наружу преобразователя, и соединяются с корпусом изделия, как показано на рис. 1.

Рис. 1

Преобразователь состоит из пьезокерамических элементов 1, излучающей накладки 2, "нерабочей" тыльной накладки 3, армирующей шпильки 4, имеющей в узловой плоскости поясок толщиной не более 5 % длины преобразователя, крепежной детали цилиндрической формы 5, имеющей прорези в месте прохождения детали через щели в "нерабочей" накладке, гайки 6, используемой для армирования преобразователя и электродов 7. При подведении электрического напряжения к электродам 7 преобразователь будет совершать механические колебания. Максимальная скорость при этом будет на торцах преобразователя, а узел колебаний ? в центре керамической секции, а также в шпильке. При установке крепления в узловой плоскости шпильки будет иметь место минимум потерь на рассеяние в месте закрепления, а следовательно, и влияние элементов крепления на режим работы преобразователя будет незначительным. Такой преобразователь имеет оптимальную добротностью в воде (Q?4), высокое значение коэффициента электромеханической связи и коэффициента полезного действия (з>50 %), малые поперечные и продольные габариты, конструкция преобразователя позволяет использовать его на больших глубинах, например до 1500 м.

В работе [2] приведены другие варианты крепления преобразователя в узловой плоскости (рис. 2 ? 4).

Первый вариант крепления преобразователя (рис. 2), состоящего из пьезокерамики 1, излучающей 2 и тыльной 3 накладок, армирующей гайки 4, полой армирующей шпильки 5 с резьбой в глухом отверстии, включает в себя крепящий винт 6 с резьбой (3?4 нитки) только на его конечной части типа "невыпадающий", внешнюю опору (стакан) 7, несущую поверхность 8, герметизирующее и акустически развязывающее резиновое фигурное кольцо 9 и узловую плоскость в полой армирующей шпильке 10. Сигнальные проводники 11 выведены наружу через специальное отверстие во внешней опоре. Для обеспечения крепления на посадочное отверстие в несущей поверхности надевается фигурное резиновое кольцо, затем устанавливается в это отверстие по месту армированный преобразователь. С обратной стороны на преобразователь надевается внешняя опора (стакан) и устанавливается так, чтобы ее края совместились с краями фигурного резинового кольца, при этом сигнальные провода выводятся наружу через специальное отверстие. Затем вставляется крепящий винт и затягивается до необходимого усилия, при этом его резьбовая часть должна совместиться с узловой плоскостью полой армирующей шпильки. Если по каким-либо причинам нет уверенности в том, что резьбовая часть крепящего винта точно совместиться с узловой плоскостью полой армирующей шпильки, крепящий винт может быть выполнен четвертьволновым с соответствующей коррекцией высоты внешней опоры.

Второй вариант предложенного крепления показан на рис. 3. Такое крепление удобно тогда, когда есть необходимость установки преобразователя так, чтобы его излучающая накладка располагалась заподлицо с несущей поверхностью. Здесь крепление состоит из прижимного винта 12 и П-образной скобы 13, приваренной к несущей поверхности 8. Полая армирующая шпилька 5 выполнена так, что глухое отверстие в ней своим дном совпадает с ее узловой плоскостью 10. Крепление осуществляют прижатием преобразователя винтом, имеющим резьбовое соединение с П-образной опорной скобой 13 через резиновое фигурное кольцо 9 к несущей поверхности 8.

В случае, когда по каким-либо причинам невозможно обеспечить точное совмещение места закрепления с узловой плоскостью полой армирующей шпильки, крепление может быть выполнено так, как это показано на рис. 4. Здесь крепление состоит из натягивающего полого винта 17, струны 18 с оплавленными для упора концами 19, внутреннего полого винта 20 и внешней П-образной опоры 13. Крепление осуществляют следующим образом: натягивающий полый винт вкручивают в П-образную опору, струна пропускается через натягивающий полый винт и внутренний полый винт, после этого концы струны оплавляют для упора по необходимому размеру.

Натягивающий полый винт вкручивают в П-образную опору до отказа, П-образная опора устанавливается на несущую поверхность 8 так, чтобы натягивающий полый винт находился напротив глухого отверстия с резьбой в полой армирующей шпильке 5. Внутренний полый винт закручивают в полую армирующую шпильку до упора; после чего натягивающий полый винт выкручивают до тех пор, пока излучающая накладка 2 не будет прижата к несущей поверхности через резиновое фигурное кольцо 8 с необходимым усилием.

Рис. 2

Предложенные варианты крепления устраняют неустойчивость к воздействию теплового удара, а также придают устройству крепления разборность и ремонтопригодность, существенно снижая эксплуатационные расходы.

Рис. 3



Рис. 4

В работе [3] предложен широкополосный преобразователь с заданной неравномерностью частотной характеристики и возможностью её регулировки. На рис. 5 показана конструкция преобразователя, а на рис. 6 ? электрическая схема включения пьезоэлементов.

Преобразователь содержит основную колебательную систему, состоящую из активной пьезокерамической секции 1, пассивных тыльной 2 и переходной 3 накладок, армирующей стяжки 4, и согласующую активную систему 5, состоящую из секционированного блока пьезокерамических элементов.

Рис. 5



Рис. 6

Согласующая активная система 5 жестко соединена с основной колебательной системой элементом армирования 7. Электрические выводы 8?8 пьезокерамического блока согласующей системы 5 подключены электрически параллельно выводам 9?9 основной пьезокерамической секции 2 (см. рис. 3). Поскольку соседние пьезоэлементы согласующей системы 5 и основной активной секции 2 составлены друг с другом с попарно встречной поляризацией, как показано на электрической схеме, то при их параллельном соединении достигается синфазная работа основной и согласующей колебательных систем, и происходит усиление колебаний на нижнем частотном максимуме двугорбой резонансной характеристики преобразователя.

Другим примером исполнения может служить частичное подключение группы пьезоэлементов согласующего блока 5 к выводам основной секции 2 или ее части. При этом электроды остальных пьезоэлементов блока замыкаются "+" на "?" либо остаются в режиме холостого хода, и тем самым осуществляется пассивный режим их использования, при котором происходит усиление колебаний на верхнем частотном максимуме характеристики преобразователя. Таким образом осуществляется электромеханическая регулировка частотной характеристики широкополосного преобразователя в сборе и достигается её заданная неравномерность.

В работе [4] предложен низкочастотный преобразователь малых размеров, работающий в полосе частот. Его устройство показано на рис. 7. Излучатель содержит активный элемент 1, состоящий из секций 2 и гибких пассивных прокладок 3; фронтальную коническую накладку 4; стягивающий болт 5 с гайкой 6; корпус 7, соединенный с фронтальной конической накладкой через гибкие прокладки 8; герметизирующее кольцо 9; тыльную накладку 10 и внутреннее заполнение 11.

Первая секция 2 образует фронтальное звено, нагруженное непосредственно на фронтальную коническую накладку 4. Она набрана из пьезоактивных шайб, поляризованных по толщине, имеет максимальный коэффициент электромеханического преобразования, акустическую жесткость и скорость звука.

Две последующие секции 2 совместно с тремя гибкими пассивными прокладками 3 образуют промежуточное звено с пониженным коэффициентом электромеханического преобразования, акустической жесткостью и эффективной скоростью звука.

Последние четыре секции 2 с тремя гибкими пассивными прокладками 4 между ними образуют тыльное звено с низким коэффициентом электромеханического преобразования, акустической жесткостью и эффективной скоростью звука.

Суммарная длина каждого из трех звеньев активного элемента 1 примерно одна и та же, эффективная жесткость активного элемента 1 в целом уменьшена в (3?4) раза в сравнении с жесткостью монолитного активного элемента из пьезокерамики, а рабочая полоса частот активного элемента 1 соответственно увеличена в (1,5?2) раза.

Резонансная частота продольных колебаний активного элемента 1 определяет верхнюю частоту рабочей полосы частот. Фронтальная коническая накладка 4 выполнена в виде пластины с коническим переходом от основания малого диаметра, обращенного к активному элементу 1, к основанию большого диаметра, нагруженного на рабочую среду. Резонансная частота изгибных колебаний пластины определяет нижнюю граничную частоту диапазона частот.

Рабочая полоса частот увеличена в (2?3) раза в сравнении с пластиной фиксированного радиуса за счет применения конического перехода.

Внутреннее заполнение 11 объема излучателя жидкостью, например, трансформаторным маслом, играет роль элемента упругой связи в двухрезонансной колебательной системе, образованной фронтальной конической накладкой 4 переменной толщины и стержневым активным элементом 1 с переменной акустической жесткостью.

В излучателе резонансная частота изгибных колебаний фронтальной конической накладки fp = 0,6 ? 0,8)f1, где f1 частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, при этом рабочие полосы частот связанных резонансов перекрываются, суммарная рабочая полоса частот составляет примерно октаву, а нижняя рабочая частота примерно соответствует четверть-волновому резонансу активного элемента.

Излучатель работает следующим образом.

При подаче рабочего напряжения на активный элемент 1 в нем возникают механические колебания, которые в свою очередь возбуждают колебания в акустически связанной с ним фронтальной конической накладке 4. Основная резонансная частота колебания определяется в основном параметрами фронтальной конической накладки 4, а их добротность невелика, так как радиальный размер накладки изменяется в широких пределах. Вторая резонансная частота определяется в основном параметрами активного элемента, жесткость которого уменьшена в (3?4) раза введением гибких пассивных прокладок с соответствующим уменьшением добротности резонанса.

При наличии акустической связи, которая обеспечивается внутренним объемом, рабочие полосы частот, соответствующие связанным резонансам, перекрываются, образуя октавную рабочую полосу частот.

Рис. 7

В работе [5] предложен широкополосный низкочастотный излучатель с уменьшенной неравномерностью частотной характеристики и с уменьшенными продольными габаритами. На рис. 8 приведена конструкция излучателя, а на рис. 9 ? его частотные характеристики.

Рис. 8

Рис. 9

Излучатель содержит переднюю 1 и тыльную 2 накладки, гибкую 3 и массивную вставку 4, которая размещена внутри стакана гибкой вставки 3, выполненной как одно целое с передней накладкой 1.

Стяжка 5 скрепляет стержневой пьезоэлемент 6 с тыльной накладкой 2 и передней накладкой 1 через выполненную с ней за одно целое гибкой пассивной вставкой 3.

Благодаря тому, что гибкая вставка 3 выполнена как одно целое с передней накладкой 1 и имеет форму стакана, обеспечивается возможность сокращения длины стяжки, так как не требуется армирования места соединения передней накладки 1 с гибкой вставкой 3.

Излучающая накладка 1 соединена с тыльной накладкой 2 с помощью резинового уплотнения 7, выполняющего роль акустической развязки.

Герметизация внутренней полости излучателя осуществляется также с помощью крышки 8 и герметичного ввода кабеля 9.

Передняя накладка 1 и гибкая вставка 3 выполнены из легкого металла ? алюминия или титана, а тыльная накладка 2, массивная вставка 4 и стяжка 5 ? из стали.

Стержневой активный элемент 6 склеен из пьезокерамических шайб, их одноименные по знаку поляризации электроды соединены параллельно и выводятся за пределы внутреннего объема преобразователя с помощью стойких к гидростатическому давлению выводов через специальные уплотнения 9.

При создании преобразователя, предназначенного для работы на низких частотах ? в диапазоне ниже 10 кГц длина стержневого пьезоэлемента составляет порядка 15 см, а продольные размеры гибкой вставки 3 и массивной вставки 4 могут достигнуть 10 см. Резонансная частота продольных колебаний стяжки fст определяется скоростью распространения колебаний в материале стяжки Cст в соответствии с формулой fст = Сст/(2lст). Таким образом, при общей длине стяжки порядка 20 см (длина пьезоэлемента 15 см и толщина дна тыльной накладки 2 и гибкой вставки 3 ? 5 см) её резонансная частота составит fст = 12,5 кГц, т.е. будет лежать выше верхней границы рабочего диапазона частот (выше 10 кГц).

В то же время при выполнении преобразователя по прежней схеме длина стяжки увеличится на суммарную длину гибкой и массивной вставок и составит соответственно 40 см. При этом fст = 6,25 кГц, т.е. частота собственного резонанса стяжки оказалась бы в пределах рабочего диапазона частот, что привело бы к искажению частотной характеристики и снижению механической прочности преобразователя.

В таблице, а также на рис. 9 показана возможность регулировки частотной характеристики излучателя при изменении массы и гибкости пассивных вставок.

Из таблицы видно, что, изменяя площадь гибкой вставки и массу массивной вставки, можно в широких пределах регулировать частоту второго резонанса излучателя f2 относительно эталонной частоты f0 (приблизительно в 1,7 раза), практически мало влияя на частоту первого резонанса f1. На рис. 9 представлены две частотные характеристики излучаемой преобразователем акустической мощности, соответствующие двум крайним строкам таблицы: 1 ? верхней, 2 ? нижней.

В режиме излучения максимальные колебания будет совершать передняя легкая накладка 1, эти колебания передаются в окружающую среду, создавая в ней переменные акустические давления, распространяющиеся в направлении, заданном геометрией антенны. Колебания дна тяжелой тыльной накладки будут существенно меньше, что обеспечит отсутствие паразитного тыльного излучения. Вследствие того, что резонансная частота стяжки 5 лежит вне рабочего диапазона, на рабочих частотах в материале стяжки будут возникать малые механические напряжения, не представляющие опасности для ее механической прочности.

В работе [6] предложена конструкция широкополосного двухрезонансного низкочастотного преобразователя, технологичного в изготовлении, обладающего повышенной эффективностью и уменьшенной неравномерностью частотной характеристики при работе в составе многоэлементной антенны.

Для этого передняя часть корпуса преобразователя (рис. 10) снабжена жестким фланцем, имеющим поперечное сечение в виде квадрата с круговым отверстием, диаметр которого равен внутреннему диаметру жидкостно-заполненной цилиндрической полости. Преобразователь содержит стержневой пьезоэлемент 1, заключенный между тыльной 2 и передней 3 накладками и армированный стальной стяжкой 4, герметичный стальной корпус 5, образующий у передней накладки 3 цилиндрическую жидкостно-заполненную полость 6, причем передняя часть корпуса выполнена в виде квадратного фланца 7 со стороной L и с цилиндрическим отверстием диаметром D. Глубина полости H, минимальная толщина стенки фланца b и высота фланца t. В полости, проходящей через центр тяжести преобразователя, размещен фланец 8 с отверстиями для крепления преобразователя к основанию антенны. Этот фланец конструктивно может быть совмещен с передним фланцем 7 корпуса, что показано на чертеже пунктирной линией. Элементы колебательной системы соединены с корпусом через кольцевые герметичные развязки 9.

В случае заполнения корпуса маслом (для работы при высоких давлениях) необходимо использовать компенсатор изменения масляного объема 10.

Полость 6 также может быть заполнена маслом, в этом случае предусматривается резиновая мембрана 11, которая может отсутствовать при заполнении полости забортной водой.

Рис. 10

Для оптимизации конструкции целесообразно выбрать следующие соотношения размеров для вводимых элементов: сторона фланца L = (0,4 ? 0,48) лB, где лB - длина волны звука в воде на верхней частоте рабочего диапазона, минимальная толщина стенки фланца b = (L-D)/2 = 0,9 - 0,11D, D - диаметр полости.

Высота фланца t ?1,1*10-2 лB (м), где лB (м) ? длина волны звука в материале фланца на верхней частоте рабочего диапазона, глубина полости H лежит в пределах 0,2 лB (ж) ? H ? 0,2л (жcp), где лB (ж) и л(жcp) ? длины волн звука в жидкости, заполняющей полость, на верхней и средней частотах рабочего диапазона соответственно.

При работе преобразователя в многоэлементной антенне он занимает "окно" (часть рабочей поверхности антенны), площадь которого определяется размером (D+2b+д)2, где д ? зазор между соседними преобразователями, который выбирается минимально-возможным, обеспечивающим технологическую возможность сборки преобразователей в антенну. Выходные отверстия жидкостно-заполненных полостей преобразователей при этом расположены в окружении жесткого экрана, образованного фланцами отдельных преобразователей, что и обеспечивает увеличение активной составляющей сопротивления излучения, а соответственно и коэффициента полезного действия, а также уменьшение неравномерности частотной характеристики преобразователя и антенны в целом.

Работа преобразователя осуществляется следующим образом: в режиме излучения электрический сигнал подается на электроды пьезоэлемента 1, в результате чего возбуждаются механические колебания передней накладки 3, которые трансформируются слоем жидкости, заключенным в полости 6, и передаются в окружающую среду через герметизирующую оболочку 11, создавая полезный акустический сигнал.

В режиме приема акустическое давление, распространяющееся в среде, воздействует через оболочку 11 и слой жидкости в полости 6 на переднюю накладку 3 и вызывает механические напряжения в пьезоэлементе 1, которые в силу прямого пьезоэффекта преобразуются в электрический сигнал на его электродах, который и передается на приемную аппаратуру через кабель 12.

Для оптимизации работы преобразователя в составе многоэлементной антенны в заданном диапазоне частот помимо обычных требований к размерам механической колебательной системы преобразователя, которые обеспечивают резонанс ее колебаний на средней частоте диапазона fср, необходимо обеспечить определенные соотношения между размерами жидкостно-заполненной полости 6, D и H, размерами фланца 7, L, b и t и длиной звуковой волны в жидкости, заполняющей полость л(ж), в воде л и в материале фланца л(м) на определенных частотах рабочего диапазона.

Для обеспечения отсутствия дополнительных максимумов, равных основному, при сканировании характеристики направленности на верхней частоте диапазона fв(L+д) должна быть < лB /2.

Однако излишнее уменьшение L/лB нежелательно из-за роста числа каналов и появления сильного взаимодействия между преобразователями на нижних частотах диапазона. С учетом технологического зазора между преобразователями д целесообразно принять

L = (0,4? 0,48)лB. (1)

Минимальная толщина фланца b определяет предельную толщину стенки цилиндрической полосы и поэтому ее размер не должен быть слишком малым, чтобы жесткость стенок полости в радиальном направлении была достаточной и не шунтировала основных продольных колебаний. С другой стороны, размер b при заданном L определяет внутренний диаметр полости D, так как D = L ? 2b.

В этом плане излишнее увеличение b нежелательно, так как приводит к уменьшению отношения площади излучающей поверхности полости (и передней накладки) Sизл = рD2/4 к площади окна, занимаемого преобразователем на рабочей поверхности антенны Sокна= (L+д)2. Расчеты и опыты показывают, что оптимальным является соотношение Sизл/Sокна, близкое к 0,5, при этом безразмерные коэффициенты при активной и реактивной составляющих сопротивления излучения в среду для отдельного преобразователя б и в становятся равными и близкими к 0,5, что обеспечивает получение на частотной характеристике излучаемой мощности 2-х максимумов примерно одинаковой величины и максимальную ширину полосы при минимальной неравномерности частотной характеристики.

Sизл/Sокна = 0,5 соответствует соотношению b = 0,1D, поэтому практически следует выполнять условие

b = (0,09-0,11)D. (2)

Приведенные выше значения б = в = 0,5, оптимальные для формирования частотной характеристики, обеспечиваются лишь при размещении выходного излучающего отверстия полости в абсолютно жестком экране. Для реализации этого условия квадратный фланец, окружающий полость, должен обладать достаточной жесткостью, которая зависит от высоты фланца t. Поскольку фланец выполнен как одно целое с корпусом преобразователя (с полостью), то наиболее податливой частью его, обладающей наименьшей жесткостью, является консольно закрепленный к стенке корпуса угол фланца, способный совершать под действием поля изгибные колебания. Достаточным условием для обеспечения требуемой жесткости является вынесение вверх за границы рабочего частотного диапазона резонансной частоты изгибных колебаний этого фрагмента фланца fизг.

Положив, что fиз ? 2fв, получим следующее соотношение для t:

t ? 1,1*10-2 лB (м), (3),

где лB (м) ? длина волны звука в материале фланца на верхней частоте диапазона fв.

Максимальная толщина фланца ограничена только соображениями минимизации веса и удобства крепления преобразователя в антенне, и при отсутствии жестких требований к весу размер t может быть продлен до центра тяжести преобразователя и тогда фланец 7 совмещается с крепежным фланцем 8. Таким образом, выбрав указанным образом размеры L, b и t, мы определяем оптимальные условия для формирования частотной характеристики и характеристики направленности преобразователя при работе его в многоэлементной антенне.

При этом остается возможность влияния на форму частотной характеристики путем изменения (выбора) глубины полости H. Обычно рекомендуется выбирать глубину полости из условия равенства ее четверти длины волны звука в жидкости, заполняющей полость, на средней частоте рабочего диапазона fср, т. е. H = 0,25л (жcp). При этом обеспечивается ширина рабочего диапазона порядка одной октавы.

Расчеты и эксперименты показывают, что изменение глубины полости H позволяет расширить рабочий диапазон до 1,5 и более октав, перемещая вторую резонансную частоту вверх и практически не меняя положения первой (нижней) резонансной частоты преобразователя.

С учетом этого, а также с учетом влияния реактивной составляющей сопротивления излучения размер H целесообразно выбирать в следующих пределах:

0,2 лB (ж) ? H ? 0,2л (жcp). (4)

В рассматриваемом в качестве примера преобразователе, изображенном на чертеже, реализованы следующие размеры рассмотренных элементов конструкции:

L = 100 мм (при fв = 7 кГц), L/ лB = 0,47, что соответствует условию (1)

b = 10 мм, b/D = 0,1, что соответствует (2)

t = 10 мм, t/лB(м) = 1,4*10-2, что соответствует (3)

H = 45 мм 0,2 лB(ж)= 43 мм, т.е. выполняя условие (4).

Выбираем глубину полости, близкую к минимальной, чем обеспечиваем расположение второго (верхнего) резонанса близко к верхней границе частотного диапазона fв. Дальнейшее уменьшение глубины полости H приводит к выходу 2-го резонанса за пределы заданного частотного диапазона, т.е. к снижению эффективности преобразователя на верхних частотах заданного диапазона.

Увеличение H в пределах, ограниченных условием (4), т.е. до 64 мм (при fср = 4,7 кГц), возможно и приведет к некоторой деформации частотной характеристики в виде подъема нижних и средних частот диапазона за счет некоторого снижения на верхних частотах.

В обоих случаях получаем полосу порядка полутора октав (от 2,4 до 7 кГц). Таким образом, при реализации условий 1 ? 4 предлагаемый преобразователь эффективно работает в полосе 1,5 октавы.

В работе [7] предложен двухрезонансный преобразователь с уменьшенными размерами, обладающий расширенными возможностями формирования частотной характеристики.

На рис. 11 приведен вариант конструкции такого преобразователя, состоящего из стержневого пьезоэлемента 1, во внутреннем отверстии которого расположена армирующая стяжка 2, соединенная, как и пьезоэлемент 1, с тыльной стальной накладкой 3. Передняя накладка 4 выполнена из легкого металла, например из алюминия, как одно целое с гибкой вставкой 5, имеющей форму стакана.

Массивная пассивная вставка 6 имеет форму толстостенного цилиндра с жесткой поперечной перегородкой и, в силу того, что внутренний диаметр цилиндра больше наружного диаметра пьезоэлемента 1 и стакана гибкой вставки 5, его длина, а следовательно, и масса могут изменяться в широких пределах.

Герметизация металлического корпуса 7 осуществляется с помощью резиновых элементов герметизации 8 и замыкается рабочей поверхностью передней накладки 4, а силовое крепление элементов колебательной системы излучателя к корпусу выполнено посредством механической развязки 9, соединенной с массивной пассивной вставкой 6. Электрический вывод преобразователя выполнен проводами 10, подсоединенными к разъему 11.

Положительными особенностями данного преобразователя является следующее. Размеры массивной вставки в преобразователе могут быть в несколько раз больше внутреннего объема гибкой вставки, а размеры гибкой вставки могут быть уменьшены без изменения величины гибкости, путем одновременного уменьшения ее высоты и толщины стенки, что приводит к уменьшению продольного размера преобразователя.

Рис. 11

Наружное расположение массы позволяет регулировать ее величину в процессе сборки преобразователя и влиять на частотную характеристику преобразователя. При этом возможно не только увеличение отношения f2/f1, т. е. увеличение частоты f2, но и уменьшение этого отношения и приближения частоты f2 к частоте f1 путем увеличения массы массивной вставки. Наружное расположение массивной вставки позволяет также использовать ее для крепления колебательной системы преобразователя к герметизирующему корпусу, в котором она размещается.

Последнее полезно с двух точек зрения: во-первых, амплитуда колебаний массивной вставки значительно меньше амплитуды тыльной накладки (которая обычно используется для крепления к корпусу), особенно в симметричных конструкциях преобразователей, в которых тыльная и передняя накладки колеблются с примерно одинаковой амплитудой, таким образом при креплении через массивную вставку уменьшаются потери в развязке и повышается эффективность преобразователя, а во-вторых, при таком креплении в силовой конструкции преобразователя пьезокерамический пьезоэлемент полностью разгружен от действия гидростатического давления и, вследствие этого, меньше подвержен старению, что также ведет к повышению эффективности.

Преобразователь формирует двухрезонансную частотную характеристику и имеет уменьшенные продольные (за счет уменьшения размеров гибкой стяжки 5), и отчасти поперечные размеры, особенно в области тыльной накладки, вследствие использования симметричной колебательной системы, в результате реализуется возможность применения такого излучателя в цилиндрической акустической системе, в которой габариты излучателя должны вписываться в заданный конус.

Благодаря малой связи между размерами гибкой вставки 5 и массивной вставки 6 реализуется возможность регулирования частотной характеристики излучателя в широких пределах в процессе разработки, а наружное расположение массивной вставки позволяет реализовать механическое соединение с корпусом 7 через развязку 9, что способствует повышению эффективности излучателя, так же как и разгрузка активного пьезоэлемента 1 от действия гидростатического давления, которое целиком воспринимается пассивными элементами 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Работа излучателя осуществляется следующим образом: электрический сигнал заданной частоты или заданного спектрального состава, лежащего в пределах рабочего диапазона частот, подается через кабельный ввод 11 и провода 10 на электроды стержневого пьезоэлемента 1, в результате в нем возбуждаются механические напряжения, вызывающие продольные механические колебания всех элементов конструкции. Колебания передней накладки 4 будут излучаться в окружающую среду, создавая в ней переменные акустические давления соответствующего спектрального состава, распространяющиеся в направлении, заданном геометрией антенны. Паразитные колебания герметичного корпуса будут существенно уменьшены за счет присоединения его к малоподвижной пассивной массе через механическую развязку.

В работе [8] показано, что широкополосность стержневого преобразователя с накладками зависит от коэффициента асимметрии А, коэффициента механической трансформации Км·т. и от массы излучающей накладки Мизл..

Коэффициент асимметрии А равен отношению длины пьезокерамического стержня от излучающей накладки до узловой линии колебаний L1 к длине пьезокерамического стержня от узловой линии колебаний до тыльной накладки L2 (A=L1/L 2). Коэффициент механической трансформации К м.т. ? отношение площади излучающей накладки Sизл. к площади пьезокерамики Sк (Км.т. = Sизл./Sк). Выбирая коэффициент асимметрии в пределах 0,5? 0,7, коэффициент механической трансформации 8?12 и используя легкую накладку из сплава АМГ, удаётся обеспечить относительную полосу пропускания ?f до 50 %.

Дальнейшее расширение полосы пропускания можно обеспечить только снижением массы излучающей накладки за счет уменьшения ее толщины. Однако уменьшение толщины излучающей накладки ниже определеннго значения приводит к возникновению её изгибных колебаний с противофазными участками, что снижает эффективность, уменьшает полосу пропускания преобразователя и увеличивает дополнительные лепестки характеристики направленности антенны. Для устранения влияния изгибных колебаний накладки следует выдерживать определенные соотношения:

fи/fp ? 4 ? для преобразователей с круглыми накладками;

fи /fр ? 5 ? для преобразователей с квадратными накладками,

где fи ? частота первой асимметричной моды собственных колебаний изгиба накладки; fp ? низшая резонансная частота преобразователя, определенная без учета изгиба;

Другой недостаток стержневого преобразователя с пассивными накладками связан с необходимостью закрепления излучающей накладки при армировании.

Армирование стержневого электроакустического преобразователя, осуществляемое путем жесткого соединения излучающей и тыльной накладки стяжкой (болтом) с определенным усилием, приводит к снижению колебательной скорости излучающей накладки в области крепления, что вызывает неравномерное распределение колебательной скорости по поверхности накладки, а следовательно, к уменьшению полосы пропускания за счет уменьшения эффективной площади излучения.

В работе [9] предложен широкополосный преобразователь, в котором излучающая накладка выполнена пустотелой, состоящей из двух сегментов, жестко соединенных между собой (рис. 12).

Другой особенностью электроакустического преобразователя является то, что сегменты излучающей накладки имеют сферическую или цилиндрическую форму, а излучающая накладка армирована стяжкой за нижний сегмент.

Преобразователь состоит из активного пьезокерамического столба 1, тыльной накладки 2, излучающей накладки 3, армирующей стяжки 4 и гайки 5. Излучающая накладка 3 состоит из двух сегментов 6 и 7, имеющих сферическую или цилиндрическую форму.

Рис. 12

Пьезокерамический столб 1 склеивается из пьезокерамических шайб, к торцам которых приклеивается тыльная 2 и излучающая 3 накладки. В излучающую накладку в процессе ее изготовления предварительно монтируется армирующая стяжка 4.

Армирующая стяжка крепится к нижней части излучающей накладки 3, при таком креплении верхняя половина накладки будет колебаться равномерно.

Так как резонансная частота пустотелой накладки 3 не зависит от ее толщины, то ее массу можно выполнять минимальной, что обеспечивает максимальную полосу пропускания. Кроме того, резонансной частотой пустотелой управляющей накладки 3 можно управлять за счет изменения высоты h оболочки, вследствие чего появляется дополнительная возможность расширения полосы пропускания преобразователя.

Для получения ещё большей полосы используются так называемые двухрезонансные гидроакустические стержневые преобразователи, имеющие в рабочем диапазоне не один, а два достаточно широкополосных резонанса.

При этом два резонанса могут быть получены различными способами: путем применения двух механических колебательных систем, работающих каждая на свой участок рабочей накладки, путем разделения пьезокерамического стержневого элемента на две части массивной металлической вставкой, а также путем применения излучения через водозаполненную полость.

Однако даже двухрезонансная система не позволяет реализовать достаточно широкую рабочую полосу более двух октав с приемлемым уровнем неравномерности частотной характеристики (3ч5 дБ).

В работе [10] предложен стержневой преобразователь, обеспечивающий незначительную неравномерность его частотной характеристики и имеющий возможность регулировки рабочей полосы частот при уменьшении его продольного габарита и веса.

Для достижения этих технических результатов в известную конструкцию гидроакустического стержневого преобразователя, содержащую стержневой пьезоэлемент, переднюю и тыльную накладки, жесткую и гибкую пассивные вставки и армирующую стяжку, размещенные в герметичном корпусе, причем передняя накладка выполнена как одно целое с гибкой пассивной вставкой, имеющей форму стакана, а армирующая стяжка жестко соединена с жесткой пассивной вставкой и дном гибкой вставки, введены новые признаки, а именно: передняя часть корпуса выполнена в виде цилиндрической полости, заполненной водой, расположенной перед рабочей поверхностью передней накладки и имеющей квадратный фланец у своего выходного отверстия, а жесткая пассивная вставка выполнена в виде диска как одно целое с дном стакана гибкой вставки.

Для обеспечения наибольшей равномерности частотной характеристики гидроакустического стержневого преобразователя собственная резонансная частота цилиндрической полости fп должна быть связана с собственными резонансными частотами f1 и f2 гидроакустического преобразователя без цилиндрической полости соотношением

fП =37500/ hп = (0,5 0,6)f1 + f2,

где hп ? длина полости в см.

В случае необходимости регулирования частотной характеристики преобразователя, а также для уменьшении глубины полости в выходном отверстии цилиндрической полости установлена круглая или квадратная металлическая пластина, механически развязанная от герметичного корпуса.

Максимальный эффект может быть достигнут, если герметичный корпус механически развязан от передней и тыльной накладок.

Механическая колебательная система преобразователя, состоящая из стержневого пьезоэлемента, двух накладок, гибкой и жесткой пассивных вставок, соединенных армирующей стяжкой, обеспечивает, как показано в [6], формирование двух резонансов f1 и f2, которые при малой массе жесткой пассивной вставки могут достаточно далеко отстоять друг от друга. Наличие цилиндрической полости, заполненной водой, перед рабочей поверхностью передней накладки позволяет сформировать третий резонанс fп, частота которого определяется глубиной полости hп:

fП = СВ/4hП,

где СB=1,5·103 м/c ? скорость звука в воде.

Квадратный фланец у выходного отверстия полости необходим для образования жесткого экрана вокруг полостей при работе преобразователей в составе многоэлементной антенны.

Выполняя функции согласующего слоя, цилиндрическая полость расширяет полосу у резонансов и за счет этого, а также за счет создания третьего резонанса, лежащего между частотами f1 и f2, ликвидирует глубокий провал между ними. Для достижения наименьшей неравномерности частотной характеристики преобразователя собственная частота цилиндрической полости.

С целью максимального разнесения частот f1 и f2 масса жесткой пассивной вставки уменьшена и она конструктивно совмещена с дном стакана гибкой вставки. Введение металлической пластины на выходном отверстии полости в случае необходимости создает дополнительные возможности для регулирования частотной характеристики и позволяет получить то же значение fП при уменьшении глубины полости, так как в этом случае

fП = СВ/4(hП +?),

где ? ? hпт *спт ст /св , hПТ и сПТ ? толщина и плотность материала пластины, а сВ = 1·103 кг/м3 (плотность воды).

На рис.13 изображен пример конструктивного выполнения преобразователя, а на рис. 14 ? типичные частотные характеристики в режиме излучения при работе в составе многоэлементной антенны при наличии полости (кривая А) и без неё (кривая В).

Преобразователь содержит стержневой пьезоэлемент 1, соединенный (склеенный) с одной стороны с тыльной накладкой 2, а с другой стороны с передней (рабочей) накладкой 3 через гибкую пассивную вставку в форме стакана 4 и пассивную жесткую вставку 5, которые выполнены как одно целое с передней накладкой 3 из легкого алюминиевого сплава. Эти пять элементов составляют основу механической колебательной системы преобразователя и определяют две его резонансные частоты (f1 и f 2 на рис. 14). Для обеспечения механической и динамической прочности применена стальная армирующая стяжка 6. Колебательная система излучателя размещается в герметичном корпусе, состоящем из дна 7, цилиндрических секций разного диаметра 8 и 9, соединенных круглым фланцем 10. Передняя часть корпуса 9 служит для размещения передней накладки 3 и образует цилиндрическую полость 11, у выходного отверстия которой находится массивный квадратный фланец 12. Глубина полости 11 определяет частоту среднего резонанса излучателя при работе в воде (fП на рис. 14, кривая А). Герметичность корпуса обеспечивается кольцевыми уплотнениями 13 и 14. Герметичный корпус механически развязан от накладок, что обеспечивается посредством развязки-уплотнения 13, кольцевыми развязками 15 у тыльной накладки и силовой развязкой 16 между передней накладкой 3 и круглым фланцем корпуса 10. С помощью этих развязок обеспечивается также фиксация колебательной системы относительно корпуса. На рис. 13 показаны также соединительные провода 17 и кабельный ввод 18.

В некоторых случаях для формирования требуемой частотной характеристики при сокращении продольных размеров в конструкцию преобразователя может быть добавлена металлическая пластина 19, устанавливаемая на квадратном фланце 12 у выходного отверстия полости 11 через акустическую развязку 20.

В преобразователе благодаря наличию цилиндрической полости 11 с квадратным фланцем у выходного отверстия между двумя резонансными частотами формируется промежуточный резонанс цилиндрической полости fП и, как показано на рис. 14 (кривая А), в результате реализуется частотная характеристика с широкой полосой и малой неравномерностью. Для сравнения, на рис. 14 (кривая В) приведена частотная характеристика преобразователя без полости. Выходное отверстие полости закрыто металлической пластиной, развязанной от корпуса, что позволило уменьшить глубину полости.

Работа стержневого гидроакустического преобразователя в составе многоэлементной антенны осуществляется обычным образом: в режиме излучения электрические сигналы поступают через кабель, кабельный ввод и соединительные провода на электроды стержневого пьезоэлемента и возбуждают его продольные колебания, которые передаются передней накладке и излучаются с ее рабочей поверхности через цилиндрическую полость, заполненную водой (и, если есть, через пластину) в окружающую среду в виде полезного сигнала.

В режиме приёма акустический сигнал из среды воздействует через слой воды в цилиндрической полости на рабочую поверхность передней накладки и на пьезоэлементы, на электродах которых возникают электрические напряжения передаваемые через провода, кабельный ввод и кабели к приёмным устройствам на борту носителя.

Рис. 13

Рис. 14

Следует отметить, что уменьшение поперечных размеров в направлении от переднего квадратного фланца к дну корпуса позволяет использовать заявляемый излучатель в цилиндрических (и сферических) антеннах сравнительно малого диаметра (до четырёх длин излучателя).

Наличие воздуха внутри корпуса и развязка колебательной системы от корпуса позволяют получать направленное излучение без применения дополнительных экранов.

При разработке гидроакустических стержневых пьезоэлектрических преобразователей, работающих в широкой полосе частот при высоких гидростатических давлениях, приходится решать вопрос виброизоляции механической колебательной системы от герметичного корпуса, в котором она размещается. В практике разработки гидроакустических преобразователей для обозначения конструктивных элементов, обеспечивающих виброизоляцию, принят термин «акустическая развязка». При недостаточной виброизоляции не обеспечиваются требуемые электроакустические характеристики преобразователя, в первую очередь не обеспечиваются равномерность частотной характеристики и малый уровень тыльного излучения вследствие колебаний поверхности корпуса. Кроме того, следует иметь в виду, что механические потери в материале акустической развязки могут значительно снижать КПД гидроакустического стержневого преобразователя.

В работе [11] предложен гидроакустический стержневой преобразователь, способный эффективно работать в широком диапазоне частот при высоких гидростатических давлениях. Он содержит стержневой пьезокерамический элемент 1 (рис.15), соединенный с тыльной 2 и передней 3 накладками и герметично размещенный в прочном корпусе, состоящем из двух соосных металлических труб разного диаметра 4 и 5, двух кольцевых металлических фланцев 6 и 7 и дна 8. Виброизоляция колебательной системы стержневого гидроакустического преобразователя (1, 2, 3) от прочного корпуса осуществляется с помощью силовой акустической развязки 9, установленной между свободной внутренней поверхностью передней накладки 3 и внутренней поверхностью кольцевого металлического фланца 6 прочного корпуса и с помощью дополнительной развязки 10. Акустическая развязка 10 установлена между свободной поверхностью тыльной накладки 2, стягивающим винтом 11 и кольцевым металлическим фланцем 7 прочного корпуса. Герметизация внутреннего объема прочного корпуса, заполненного воздухом, обеспечивается кольцевыми уплотнениями 12. Гибкость акустической развязки 10 на порядок выше гибкости силовой акустической развязки 9, вследствие чего она не препятствует разгрузке пьезокерамического стержневого элемента 1 от действия гидростатического давления. Кроме того, на рис.15 показаны провода 13 и кабельный ввод 14, обеспечивающие электрическое соединение пьезокерамического стержневого элемента с аппаратной частью вне корпуса.

Силовая акустическая развязка 9 выполнена в виде отдельного (самостоятельного) конструктивного узла, имеющего форму толстостенного полого цилиндра, содержащего замкнутый объем, целиком заполненный резиной и способный деформироваться только в осевом направлении.

Различные исполнения конструкции силовой акустической развязки 9 приведены на рис. 16 и 17.

На рис. 16 изображена конструкция силовой акустической развязки, имеющая вид полого толстостенного цилиндра 15, в стенках которого выполнен ряд глухих отверстий 16 одинаковой глубины, оси которых параллельны оси цилиндра. Количество отверстий в рассматриваемом примере равно двенадцати. Внутренний объем отверстий заполнен вулканизованной резиной и на выходе отверстий установлены поршни 17, имеющие возможность осевого перемещения при приложении осевых сжимающих нагрузок. Размер (и количество) цилиндрических отверстий выбирается таким образом, чтобы резонанс fp, образованный гибкостью заключенной в них резины (Ср), массами корпуса (Мк) и колебательной системы (Мс), определяемый по формуле, находился ниже нижней частоты рабочего диапазона fн:

.

Рис. 15

Рис.16



Рис. 17

Под действием гидростатического давления Р силовая акустическая развязка за счет гибкости объема резины будет претерпевать осевую деформацию ?L, равную:

?L = C p·P·S, CP = LP/(SP*EЮ), Ep = с·C3B2,

где S ? рабочая поверхность передней накладки, Sp, Lp - суммарная площадь поперечного сечения и длина резины, заполняющей отверстия, Е р ? упругий модуль резины в замкнутом объеме, с ? плотность резины, С3B ? скорость звука в резине.

Расчеты показывают, что для конкретного преобразователя условие для частоты fP выполняется при Sp = 20 см2 и длине резинового заполнения 4 см. При этом ?L max составляет порядка 1 мм при давлении 75 атм.

На рис. 17 изображена конструкция силовой акустической развязки, состоящей из двух коаксиальных труб разного диаметра: наружной 18 и внутренней 19 с фланцами 20 и 21, которые образуют замкнутый объем, заполненный резиной 22. Трубы с фланцами имеют возможность осевого перемещения друг относительно друга при изменении объема резины под действием осевых сжимающих усилий.

Приведённые выше соотношения и количественные оценки для конструкции силовой акустической развязки на рис. 16, в равной степени относятся и к конструкции, представленной на рис. 17.

Таким образом, в преобразователе благодаря применению силовой акустической развязки, включающей замкнутый объем, заполненный резиноподобным полимером, выполненной в виде отдельного элемента установленного между передней накладкой преобразователя и фланцем корпуса, обеспечивается виброизоляция механической колебательной системы преобразователя от прочного корпуса в широком диапазоне частот и при высоких гидростатических давлениях. Малая величина потерь в материале силовой акустической развязки обеспечивает высокий КПД преобразователя.

Вследствие этого обеспечиваются требуемые электроакустические параметры преобразователя при любых, в том числе и высоких, гидростатических давлениях в широкой полосе рабочих частот.

Работа гидроакустического стержневого преобразователя осуществляется следующим образом. В режиме излучения электрические сигналы от генератора поступают через кабель, кабельный ввод и соединительные провода на электроды стержневого пьезокерамического элемента, при этом возбуждаются его продольные колебания, которые передаются передней накладке и излучаются с ее рабочей поверхности. Вследствие наличия силовой акустической развязки 9 эти колебания в диапазоне рабочих частот практически не передаются прочному корпусу и он не излучает в среду паразитную акустическую энергию в тыльном и боковых направлениях.

В режиме приема акустический сигнал из среды воздействует на рабочую поверхность преобразователя и всю поверхность прочного корпуса, однако из-за наличия силовой акустической развязки 9 на пьезокерамический стержневой элемент передаются только те механические напряжения, которые возбуждаются сигналом, воздействующим на рабочую поверхность передней накладки преобразователя. Благодаря этому характеристики направленности преобразователя имеют малый уровень тыльного и бокового паразитного излучения и приема.

Наличие воздуха внутри прочного корпуса и виброизоляция колебательной системы от прочного корпуса позволяют получать направленные излучение-приём без применения дополнительных экранов.

В работе [12] предложена многоэлементная гидроакустическая антенна с уменьшенными размерами, для чего преобразователь этой антенны содержит пьезоактивный армированный элемент, при этом тыльная накладка имеет стаканообразную форму и механический контакт с пьезоактивным элементом на поверхности дна ее внутренней полости, передняя накладка преобразователя также выполнена в форме стакана и края стенок обеих стаканообразных накладок обращены друг к другу, при этом по всей высоте стенок стаканообразных накладок выполнены узкие продольные сквозные прорези, расположенные по окружности поперечного сечения стенок накладок с неравномерным шагом и заполненные с тугой посадкой полимерным материалом, а на наружные боковые поверхности стаканообразных накладок с натягом надеты упругие манжеты из полимерного материала.

Использование стаканообразных накладок позволяет существенно сократить высоту преобразователей, следовательно, и высоту антенны ? её размер в направлении, перпендикулярном поверхности апертуры. При этом выполнение зазора между краями стенок накладок равным четверти длины волны в электроизоляционной жидкости на рабочей частоте обеспечивает отсутствие прямой акустической связи между накладками и предупреждает возникновение паразитных резонансов в объеме электроизоляционной жидкости, заполняющей полость корпуса антенны, тогда как покрытие наружных боковых поверхностей накладок полимерным материалом препятствует распространению звуковых волн в пространстве между преобразователями, как в каналах с акустически мягкими стенками, что также предотвращает появление дополнительных резонансов в частотной характеристике антенны. Таким образом, предложенные конструктивные меры дают возможность улучшить частотные характеристики антенны и сократить ее габариты.