Гидроакустическая многоэлементная антенна и пьезоэлектрический стержневой преобразователь для такой антенны

Гидроакустическая многоэлементная антенна и пьезоэлектрический стержневой преобразователь для такой антенны

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при проектировании и разработке гидроакустической аппаратуры для зондирования морского дна и исследования профиля дна океанского шельфа с надводного корабля.

При разработке гидроакустической аппаратуры в составе профилографов-гидролокаторов вертикального действия, предназначенных для дистанционного обследования донного грунта с судна акустическим методом и определения глубины под килем судна, важное место занимает вопрос минимизации габаритов и массы создаваемых приборов с обеспечением высокого качества их рабочих характеристик. При этом нередки случаи, когда элементы конструкции компактной антенны, обладающие свойствами высокодобротного резонатора, имеющие собственную резонансную частоту, близкую к ее рабочим частотам, при работе на мелководье могут явиться источниками помех вследствие длительного процесса собственных колебаний этих элементов после прекращения импульсного зондирующего сигнала, когда аппаратура переключается на режим приема сигналов, отраженных от дна, в результате чего возможности работы аппаратуры в мелких водоемах оказываются ограниченными. Поэтому вопросы снижения механической добротности элементов конструкции гидроакустических антенн при проектирования компактных антенн приборов для профилографов представляются весьма актуальными.

В настоящее время известны конструкции компактных гидроакустических антенн с общей герметизацией входящих в них пьезоэлектрических преобразователей, установленных внутри корпуса на общей накладке с передней стороны антенны [1-3]. Такие антенны находят применение преимущественно в диапазоне ультразвуковых колебаний. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция антенны, описанная в [1] - см. фиг.1, которая и принята нами за прототип.

Гидроакустическая многоэлементная антенна-прототип содержит заполненный электроизоляционной жидкостью цилиндрический корпус, пьезоэлектрические стержневые преобразователи, механически закрепленные внутри цилиндрического корпуса с передней стороны антенны на общей круглой накладке, акустически развязанной от корпуса слоем полимерного материала, согласующим также антенну с внешней средой, и металлический экран с ее тыльной стороны, размещенный внутри корпуса. Стержневые преобразователи имеют стаканообразные переднюю и тыльную накладки, обращенные друг к другу краями стенок, на которые надеты упругие манжеты из резины. Зазор между краями стенок составляет четверть длины волны в электроизоляционной жидкости на резонансной частоте антенны. К достоинствам антенны-прототипа относятся уменьшенный габаритный размер конструкции в основном направлении при высокой эффективности действия, в ней уже предусмотрено заполнение полости корпуса электроизоляционной средой, что является признаком более близкого соответствия ее реальным конструкциям создаваемой аппаратуры. В то же время использование в качестве электроизоляционной среды электроизоляционной жидкости вызывает возникновение дополнительных резонансов, необходимость устранения которых приводит к усложнению конструкции антенны.

Недостатком антенны-прототипа, как уже отмечалось, является также то, что при работе в составе профилографа на мелководье, особенно в случае заиленного грунта с низкими отражающими свойствами, такая антенна является источником помех, обусловленных послезвучанием ее элементов. Она имеет и другой недостаток, ухудшающий частотные характеристики и ограничивающий возможности использования в широкополосных устройствах: отдельные элементы конструкции, в частности корпус, имеющие свойство высокодобротного резонатора - так называемый «колокольный эффект», способны возбуждаться на своих собственных резонансных частотах, лежащих в пределах рабочего диапазона антенны. Это может приводить к искажениям ее частотных характеристик, а в ряде случаев исключает возможность работы антенны в составе гидроакустической аппаратуры.

Известны также конструкции стержневых преобразователей, в которых для сокращения продольного размера используют переднюю и тыльную пассивные накладки [1, 3]. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является конструкция пьезоэлектрического стержневого преобразователя, описанная в [1] (п.2 формулы изобретения, фиг.2), принятого нами за прототип.

Пьезоэлектрический стержневой преобразователь-прототип содержит пьезоактивный элемент, зажатый металлической армирующей шпилькой между двумя пассивными стаканообразными накладками, обращенными краями друг к другу, при этом по всей высоте стенки тыльной стаканообразной накладки выполнены узкие продольные сквозные прорези, расположенные по окружности поперечного сечения стенки накладки с неравномерным шагом и заполненные с тугой посадкой твердотельным полимерным материалом, на наружные боковые поверхности стаканообразных накладок с натягом надеты упругие манжеты из полимерного материала (резины). Достоинства такого преобразователя состоят в том, что его конструкция компактна и эффективна по достигнутым значениям параметров антенны.

Недостатком конструкции преобразователя-прототипа является возможность возбуждения стенки стаканообразной накладки на своей собственной резонансной частоте колебаний - так называемый «колокольный эффект», что в случае недостаточного затухания подавляемых паразитных колебаний, возникающих даже при наличии прорезей в стенках стаканообразных накладок, приводит к искажению частотной характеристики преобразователя и ограничивает возможности работы антенны в составе аппаратуры на мелководье, а также сложность конструкции, низкая технологичность и высокие трудозатраты по изготовлению преобразователя.

Задачей изобретения является создание компактной, технологичной и недорогой гидроакустической многоэлементной антенны, эффективно работающей в составе профилографа с судна, начиная с мелководья, с улучшенными частотными и временными характеристиками.

Для решения поставленной задачи в гидроакустической многоэлементной антенне, содержащей набор размещенных в цилиндрическом корпусе, заполненном электроизоляционной средой, пьезоэлектрических стержневых преобразователей со стаканообразными накладками, обращенными друг к другу краями стенок, на наружные боковые поверхности которых надеты с натягом упругие манжеты из резины, закрепленных на общей накладке круглой формы, снабженной на наружной поверхности согласующим устройством, включающим слой из полимерного материала типа резины и адгезионно связанный с ним снаружи металлический слой, введены новые признаки, а именно: между боковой поверхностью общей круглой накладки и внутренней боковой поверхностью цилиндрического корпуса введено кольцо, имеющее на наружной цилиндрической поверхности кольцевые пазы с размещенными в них резиновыми уплотнениями, а на внутренней цилиндрической поверхности - равномерно размещенные по ней локальные пазы, по краю общей накладки выполнены ответные выступы, входящие в соответствующие локальные пазы с образованием зазоров, адгезионно заполненных полимерным материалом согласующего слоя, при этом край корпуса жестко поджат винтами в радиальном направлении к наружной цилиндрической поверхности кольца через резиновые уплотнения, а в качестве электроизоляционной среды, заполняющей цилиндрический корпус, выбран элегаз.

Пьезоэлектрический стержневой преобразователь для гидроакустической многоэлементной антенны содержит армированный шпилькой пьезоактивный элемент с передней и тыльной стаканообразными накладками, обращенными друг к другу краями стенок; на боковую поверхность которых с натягом надеты упругие демпфирующие манжеты из резины толщиной не менее 1,5 мм.

Новым в заявляемом преобразователе является то, что стенки стаканообразных накладок преобразователя выполнены сплошными толщиной t и высотой h, причем высота h удовлетворяет соотношению h<λ_и/6, где λ_и - длина изгибной волны в пластине толщиной t из материала накладки, а на армирующую шпильку по всей ее длине надета с натягом резиновая трубка.

Предложенная конструкция гидроакустической многоэлементной антенны с введенным в нее кольцом с пазами выполняет три функции:

- позволяет достаточно эффективно подавить возникающие в цилиндрическом корпусе собственные радиальные колебания благодаря повышенному рассеянию звуковой энергии в сочленении сложной формы кольца с общей круглой накладкой, имеющей ответные выступы,

- акустическую развязку от него общей круглой накладки с закрепленными на ней пьезоэлектрическими стержневыми преобразователями,

- обеспечивает высококачественную герметизацию заполненного элегазом цилиндрического корпуса.

Использование элегаза вместо электроизоляционной жидкости для заполнения цилиндрического корпуса заявленной антенны позволяет уменьшить ее габарит в осевом направлении за счет исключения экрана, расположенного с тыльной стороны антенны, и обязательного четвертьволнового слоя электроизоляционной жидкости перед ним, а также отсутствия необходимости выдерживать четвертьволновый зазор между краями стенок стаканообразных накладок.

Введение заявленного соотношения размеров стенки накладок стаканообразной формы при выполнении их сплошными позволяет вывести резонансную частоту стенок стаканообразных накладок при возникновении в них собственных изгибных колебаний за пределы рабочего диапазона заявленной антенны и значительно упростить конструкцию пьезоэлектрических стержневых преобразователей, а демпфирование шпильки резиновой трубкой, надетой на нее с натягом, препятствует возникновению в ней собственных колебаний и дополнительных резонансов в частотной характеристике гидроакустической многоэлементной антенны.

Таким образом, технические результаты от использования заявленной антенны и преобразователя для нее заключаются в устранении нежелательных резонансов элементов их конструкции, уменьшение геометрических размеров и веса гидроакустической многоэлементной антенны и упрощении конструкции стержневого преобразователя.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой показана конструкция предложенной гидроакустической многоэлементной антенны, и фиг.2, на которой представлена конструкция пьезоэлектрического стержневого преобразователя для этой антенны.

Гидроакустическая многоэлементная антенна (фиг.1) содержит заполненный элегазом цилиндрический корпус 1, кольцо 2, согласующий слой 3 из полимерного материала, в данном примере из резины марки С-572, общей накладки круглой формы 4, на которой закреплен набор пьезоэлектрических стержневых преобразователей 5 со стаканообразными накладками 6, на боковые поверхности которых надеты с натягом упругие манжеты 7 резины марки С-572. На фиг.1 показано продольное сечение антенны, на котором в разрезе видны цилиндрический корпус 1, кольцо 2 с локальным пазом 12, уплотнительными кольцами 9 и винтом 10 (всего в конструкции 8 винтов). Винты 10 ввинчены в кольцо 2 до упора и застопорены анотермом вид 152 РД 5.9307-79. Выступы 11 края общей накладки 4, в данной конструкции их 3, входят в локальные пазы 12 кольца 2, зазоры между выступами 11 и локальными пазами 12 адгезионно заполненный резиной марки С-572 одновременно с нанесением согласующего слоя 3. На наружную поверхность согласующего слоя 3 для его механической защиты помещен дополнительный металлический слой 13, позволяющий управлять полосой пропускания антенны. Согласующий слой 3 и дополнительный металлический слой 13 образуют согласующее устройство 8.

Пьезоэлектрический стержневой преобразователь (фиг.2) содержит пьезоактивный элемент 14 и армирующую шпильку 15, стягивающую стаканообразные накладки 6. На шпильку 15 надета трубка 16 из резины, демпфирующая колебания шпильки, а на стенки стаканообразных накладок - с натягом упругие резиновые манжеты 7 толщиной не менее 1,5 мм, демпфирующие колебания стенок стаканообразных накладок.

Работа заявленной гидроакустической многоэлементной антенны с пьезоэлектрическими стержневыми преобразователями происходит следующим образом. На пьезоактивные элементы 14 преобразователей, закрепление на общей накладке 4, через электрические выводы подается электрическое напряжение импульсного сигнала, необходимое для возбуждения механических колебаний, обеспечивающих излучение звуковых волн с излучающей поверхности гидроакустической многоэлементной антенны в окружающую среду.

При работе гидроакустической многоэлементной антенны в режиме приема на ее электрических выводах регистрируется сигнал, появляющийся при вынужденных механических колебаниях, обусловленных воздействием звуковых волн, падающих на поверхность согласующего устройства антенны.

Введенное кольцо 2 с пазами по существу является устройством, гасящим «колокольный эффект» цилиндрического корпуса 1, так как внутренняя поверхность кольца благодаря выбранной конфигурации локальных пазов 12 кольца 2 и выступов 11 края общей круглой накладки 4, адгезионно связанных между собой полимерным материалом согласующего слоя 3, практически полностью подавляет радиальные собственные колебания жестко соединенного с кольцом цилиндрического корпуса, возникающие при прекращении импульса возбуждения антенны и немедленном переключении антенны в режим приема. Эти колебания быстро затухают ввиду большого поглощения звуковой энергии в зигзагообразных зазорах, создающих большую поверхность контакта кольца с полимерным материалом, в основном из-за того, что при радиальных колебаниях цилиндрического корпуса смещения полимерного материала в зазоре между кольцом и общей круглой накладкой, помимо продольных, принимают характер сдвиговых деформаций, при которых коэффициент механических потерь в полимерном материале типа резины имеет наибольшее значение, по этой причине предложенная конструкция узла герметизации и акустической развязки антенны дает дополнительный эффект демпфирования цилиндрического корпуса.

Кроме того, здесь имеет большое значение краевое (граничное) условие колебаний цилиндрического корпуса в месте крепления его края к кольцу: при жестком закреплении завинченными до отказа и застопоренными винтами - оно уже становится условием, близким к условию защемленного края, когда значение добротности и амплитуды колебания края цилиндрического корпуса минимальны, а собственная частота цилиндрического корпуса выведена за пределы рабочего диапазона гидроакустической многоэлементной антенны.

В результате удается почти полностью подавить возникающие в цилиндрическом корпусе нежелательные резонансные явления и устранить их влияние на частотную характеристику заявленной антенны. Кроме того, при механических продольных колебаниях пьезоэлектрических стержневых преобразователей, входящих в состав антенны, возникающие нежелательные высокодобротные резонансные собственные колебания армирующих шпилек практически исключены из-за возникающих в материале упругих резиновых трубок сдвиговых деформаций, при которых коэффициент механических потерь в резине достигает наибольшего значения.

Особо следует подчеркнуть, что выполнение стенок стаканообразных накладок пьезоэлектрического стержневого преобразователя сплошными с введенным соотношением между размерами стенки и длиной изгибной волны, из которого определяются ее высота и толщина, является необходимым и достаточным условием исключения собственной частоты колебаний стенки стаканообразной накладки из рабочего диапазона частот антенны. Этот эффект, усиленный наличием упругих резиновых манжет, выполняющих роль демпферов, достигается при значительном сокращении трудозатрат на изготовление как пьезоэлектрических стержневых преобразователей, так и заявленной антенны в целом.

Все перечисленные выше меры позволяют обеспечить заявленные технические результаты и считать задачу изобретения решенной.

Источники информации

1. Патент РФ №2167496. Гидроакустическая многоэлементная антенна и пьезоэлектрический стержневой преобразователь для такой антенны. МПК Н04В 13/00, H04R 1/44. Публ. 20.05.2001.

2. Патентная заявка Японии 5 -11710. Подводное широкополосное приемно-передающее устройство. МПК H04R 1/44, 17/00, G01H 3/00. Публ. 16.02.93.

3. Патент США №3.974.474. Подводный электроакустический преобразователь с накладкой, развитой внутрь. Публ. 10.08.76.

1. Гидроакустическая многоэлементная антенна, содержащая набор размещенных в цилиндрическом корпусе, заполненном электроизоляционной средой, пьезоэлектрических стержневых преобразователей со стаканообразными накладками, обращенными друг к другу краями стенок, на наружные боковые поверхности которых надеты с натягом упругие манжеты из резины, закрепленных на общей круглой накладке, снабженной на наружной поверхности согласующим слоем из полимерного материала типа резины, отличающаяся тем, что между боковой поверхностью общей круглой накладки и внутренней боковой поверхностью цилиндрического корпуса введено кольцо, имеющее на наружной цилиндрической поверхности кольцевые пазы с размещенными в них резиновыми уплотнениями, а на внутренней цилиндрической поверхности - равномерно размещенные по ней локальные пазы, по краю общей круглой накладки выполнены ответные выступы, входящие в соответствующие локальные пазы с образованием зазоров, адгезионно заполненных полимерным материалом согласующего слоя, при этом край корпуса жестко поджат винтами в радиальном направлении к наружной цилиндрической поверхности кольца, а в качестве электроизоляционной среды, заполняющей цилиндрический корпус, выбран элегаз.

2. Пьезоэлектрический стержневой преобразователь для гидроакустической многоэлементной антенны, содержащий армированный шпилькой пьезоактивный элемент с передней и тыльной стаканообразными накладками, обращенными друг к другу краями стенок, на боковую поверхность которых с натягом надеты упругие манжеты из резины, отличающийся тем, что стенки стаканообразных накладок выполнены сплошными и высота h стенки стаканообразной накладки, и ее толщина t, должна удовлетворять соотношению h<λ_и/6, где λ_и - длина изгибной волны в пластине толщиной t из материала накладки, а на армирующую шпильку по всей ее длине надета с натягом упругая резиновая трубка.