RU2044411C1

RU2044411C1 - Hydroacoustic converter of beacon transponder

Info

Publication number: RU2044411C1
Application number: RU93008623/09A
Authority: RU
Inventors: А.А. Остроухов; ховский А.Е. Черн; А.Е. Черняховский
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор"
Priority date: 1993-02-15
Filing date: 1993-02-15
Publication date: 1995-09-20

Abstract

FIELD: hydroacoustics. SUBSTANCE: reinforcing layer applied to the piezoceramic element is made of an acoustically-yielding material so that changes in the acoustic resistance of the radiation medium does not result in marked changes of electric resistance and, consequently, mechanical strength of the converter. EFFECT: improved design. 3 dwg

Description

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к маякам-ответчикам (МО) станций наведения судов, станций звукоподводной связи или другим приемоизлучающим гидроакустическим системам подобного назначения. The invention relates to hydroacoustics, and in particular to transponder beacons (MO) of ship guidance stations, sound-receiving communication stations, or other receiving-emitting hydroacoustic systems of a similar purpose.

Конструкция МО представляет собой малогабаритную гидроакустическую (ГА) станцию переносного типа, работающую в режимах приема и излучения ответных сигналов. The MO design is a portable hydroacoustic (GA) portable type station operating in the reception and emission modes of response signals.

Преобразователи МО должны работать, как правило, в диапазоне рабочих частот 15-40 кГц при гидростатических давлениях от 0 до 10 МПа. При этом для повышения помехоустойчивости при работе вблизи дна либо корпуса судна его работа должна вестись в полупространство в углах обзора θ=± (50-90^о) от вертикали. Кроме того, при частых подъемах изделий на поверхность, а также при включении аппаратуры перед сбрасыванием в воду возникает ситуация, когда преобразователь все же принимает запросный сигнал и излучает ответный, находясь в воздухе либо на границе вода-воздух.MO converters should work, as a rule, in the range of operating frequencies of 15-40 kHz at hydrostatic pressures from 0 to 10 MPa. Moreover, in order to increase the noise immunity when working near the bottom or the hull of the vessel, its work should be conducted into half-space at viewing angles θ = ± (50-90 ^о ) from the vertical. In addition, with frequent lifting of products to the surface, as well as when turning on the equipment before being dropped into water, a situation arises when the converter nevertheless receives a request signal and emits a response signal, either in air or at the water-air interface.

В качестве преобразователей маяка-ответчика могут быть использованы сферический, цилиндрический, стержневой преобразователи. As transducers of the transponder beacon, spherical, cylindrical, rod transformers can be used.

Известен преобразователь сферической конструкции, армированный слоем никеля, нанесенного методом электроосаждения, с разделенными электродами и соединенными для повышения чувствительности последовательно [1]
Такие преобразователи широкополосны, имеют равномерную в пространстве широкую характеристику направленности, однако, для повышения помехоустойчивости при работе вблизи звукоотражающих объектов они требуют применения толстостенных звукопоглощающих экранов, что существенно усложняет конструкцию.Known Converter spherical structure, reinforced with a layer of Nickel deposited by electrodeposition, with separated electrodes and connected to increase sensitivity in series [1]
Such converters are broadband, have a uniform directivity in space, however, to increase noise immunity when working near sound-reflecting objects, they require the use of thick-walled sound-absorbing screens, which significantly complicates the design.

Известна конструкция, состоящая из двух ненаправленных элементов, отстоящих один от другого на расстоянии λ/4 и обеспечивающая формирование характеристики направленности типа "Кардиоида". A known construction, consisting of two non-directional elements, spaced one from the other at a distance of λ / 4 and providing the formation of directivity characteristics of the type "Cardioid".

Такая конструкция имеет повышенную помехоустойчивость. Однако при этом требуется создание двухканального тракта обработки сигнала в режиме приема и излучения, что существенно усложняет конструкцию. This design has increased noise immunity. However, this requires the creation of a two-channel signal processing path in the reception and emission modes, which significantly complicates the design.

По технической сущности наиболее близким техническим решением является сферический преобразователь [2] Он представляет собой сферический элемент из пьезокерамики, на активную поверхность которого нанесен армирующий слой. Слой выполнен из никеля и нанесен методом электроосаждения в хлоридной ванне, благодаря чему создается значительное механическое упрочнение. In terms of technical nature, the closest technical solution is a spherical transducer [2]. It is a spherical element made of piezoceramics, on the active surface of which a reinforcing layer is applied. The layer is made of nickel and deposited by electrodeposition in a chloride bath, which creates significant mechanical hardening.

Недостатками такой конструкции являются большие технологические и технические трудности, связанные с необходимостью в процессе армирования никелированием осуществлять сжатие активного материала, находящегося в хлоридной ванне, большим постоянным электрическим напряжением; использование сферического преобразователя неэффективно, так как приводит к снижению помехоустойчивости и необходимости использования тыльной экранировки, что существенно увеличивает весо-габаритные параметры при работе на глубинах более 150 м; при работе с таким преобразователем при гидростатическом давлении, равном нулю (при всплытии изделия), его активное сопротивление близко к нулю, так как слой никеля практически не изменяет величины активного сопротивления, что приводит к выходу из строя генераторного устройства и самого преобразователя и требует введения специальной защиты, существенно снижающей надежность изделия. The disadvantages of this design are the great technological and technical difficulties associated with the need in the process of reinforcing nickel-plating to compress the active material in the chloride bath, a large constant electrical voltage; the use of a spherical transducer is inefficient, as it leads to a decrease in noise immunity and the need to use rear shielding, which significantly increases the weight and overall parameters when working at depths of more than 150 m; when working with such a converter at a hydrostatic pressure equal to zero (when the product is surfaced), its active resistance is close to zero, since the nickel layer practically does not change the resistance value, which leads to failure of the generator device and the converter itself and requires the introduction of a special protection, significantly reducing the reliability of the product.

Цель изобретения создание приемоизлучающего преобразователя, способного эффективно работать в полупространстве без использования тыльного экранирования. При этом электрическое сопротивление преобразователя не должно существенно меняться при изменении среды излучения от воды до воздуха и приводить к выходу из строя преобразователя и усилителя мощности станции при всплытии системы. The purpose of the invention is the creation of a transceiving transducer capable of operating effectively in half-space without the use of rear shielding. At the same time, the electrical resistance of the converter should not change significantly when the radiation medium changes from water to air and lead to failure of the converter and power amplifier of the station when the system emerges.

Для этого в преобразователе маяка-ответчика, содержащем пьезокерамический элемент сферической формы с герметизирующим слоем на активной поверхности, пьезокерамический элемент имеет форму полусферы диаметром D (1,3-1,9) λ_c, где λ_c длина волны в воде на средней частоте рабочего диапазона, и снабжен плоским жестким основанием, которое герметично соединено с полусферой по наружному диаметру через механическую развязку, а по центру стяжкой с ее полюсом. Слой на активной поверхности выполнен из материала с акустическим сопротивлением (ρ_c)_сл (1,6-2)˙ 10⁶ кг/м² и толщиной δ

(2n+1) где n 0, 1, 2.For this, in a transponder beacon transducer containing a spherical piezoceramic element with a sealing layer on the active surface, the piezoceramic element has a hemispherical shape with a diameter D (1.3-1.9) λ _c , where λ _c is the wavelength in water at the average operating frequency range, and is equipped with a flat rigid base, which is hermetically connected to the hemisphere on the outer diameter through mechanical isolation, and in the center of the screed with its pole. The layer on the active surface is made of a material with acoustic resistance (ρ _c ) _sl (1.6-2) ˙ 10 ⁶ kg / m ² and thickness δ

(2n + 1) where

n

0, 1, 2.

При этом происходит нагрузка преобразователя на указанный слой акустически податливого материала, благодаря чему изменение акустического сопротивления среды излучения не приводит к заметному изменению электрического сопротивления, а следовательно, и механической прочности преобразователя. When this happens, the load of the transducer on the specified layer of acoustically pliable material, due to which a change in the acoustic resistance of the radiation medium does not lead to a noticeable change in electrical resistance, and hence the mechanical strength of the transducer.

Выполнение сферического пульсирующего преобразователя в виде полусферы исключает его работу в тыльном полупространстве (в области средних и высоких частот). Благодаря этому отпадает необходимость в создании дорогостоящего и трудоемкого для работ при больших гидродавлениях экрана. The implementation of a spherical pulsating transducer in the form of a hemisphere excludes its work in the rear half-space (in the medium and high frequencies). Due to this, there is no need to create an expensive and time-consuming for work with large hydraulic pressures of the screen.

На фиг. 1 представлена конструкция преобразователя; на фиг. 2 характеристика направленности преобразователя на различных частотах; на фиг. 3 частотные зависимости активного сопротивления преобразователя в воде и воздухе, а также его коэффициент полезного действия (КПД). In FIG. 1 shows the design of the converter; in FIG. 2 characteristic of the directivity of the transducer at various frequencies; in FIG. 3 frequency dependences of the active resistance of the converter in water and air, as well as its coefficient of performance (COP).

Преобразователь содержит активный элемент 1 из пьезокерамики состава ЦТБС-3, выполненный в виде полусферы наружным диаметром 80 мм, толщиной 5 мм, с отверстием малого диаметра (d 10 мм) в полюсе, практически не влияющем на электроакустические параметры преобразователя. The transducer contains an active element 1 made of piezoelectric ceramics of the TsTBS-3 composition, made in the form of a hemisphere with an outer diameter of 80 mm, a thickness of 5 mm, and a small diameter hole (d 10 mm) in the pole, which practically does not affect the electroacoustic parameters of the transducer.

С тыльной стороны полусфера загерметизирована плоским металлическим основанием-корпусом 2, механически и электрически развязанным от активного элемента резиновой 3 и стеклотекстолитовой 4 прокладками толщиной по 2 мм каждая. On the back side, the hemisphere is sealed with a flat metal base body 2, mechanically and electrically isolated from the active element with rubber 3 and fiberglass 4 gaskets 2 mm thick each.

Крепление активного элемента на корпусе осуществляется шпилькой-стяжкой 5, изготовленной из стеклотекстолита (6 мм) и вклеенной в отверстие полюса полусферы для повышения механической прочности. The active element is mounted on the housing by a tie pin 5 made of fiberglass (6 mm) and glued into the hole of the hemisphere pole to increase mechanical strength.

Согласующие и герметизирующие функции при работе в воде и воздухе выполняет слой резины 6 марки С-572, нанесенный на наружную поверхность преобразователя методом вулканизации. Толщина слоя резины равна четверти длины волны в резине на частоте механического резонанса преобразователя и составляет в нашем случае 15 мм. Matching and sealing functions when working in water and air are performed by a rubber layer 6 of grade C-572, applied to the outer surface of the transducer by vulcanization. The thickness of the rubber layer is equal to a quarter of the wavelength in the rubber at the frequency of the mechanical resonance of the transducer and in our case is 15 mm.

Работа гидроакустического преобразователя основана на использовании низшей моды пульсирующих (радиальных) колебаний сферической оболочки, замкнутой на одном полюсе и открытой на другом, на частотах вблизи частоты механического резонанса этих колебаний, определяемого по формуле:
f Ω_i

где С скорость звука в активном материале, м/с;
D средний диаметр сферической оболочки (полусферы) М;
Ω_i- безразмерный частотный параметр, зависящий от угла раскрыва сферической оболочки, моды колебаний и равный (при угле раскрыва 180^о) 2,1.The work of the hydroacoustic transducer is based on the use of the lowest mode of pulsating (radial) vibrations of a spherical shell, closed at one pole and open at the other, at frequencies near the frequency of the mechanical resonance of these vibrations, determined by the formula:
f Ω _i

where C is the speed of sound in the active material, m / s;
D is the average diameter of the spherical shell (hemisphere) M;
Ω _i - dimensionless frequency parameter depending on the opening angle of a spherical shell, vibration mode and is equal (at the angle of aperture ^of 180) 2.1.

При этом ширина характеристики направленности (Δθ) определяется углом раскрыва полусферы Φ_o (Δθ

0,7φ_o) распределением амплитуды и фазы колебаний наружной поверхности.The width of the directivity characteristic (Δθ) is determined by the opening angle of the hemisphere Φ _o (Δθ

0.7φ _o ) the distribution of the amplitude and phase of the oscillations of the outer surface.

Ширина характеристики направленности преобразователя (см.фиг.2) по уровню сигнала 8 дБ (такая неравномерность является общепринятой для слабонаправленных систем) составляет на частоте 20 кГц 130^о, на частоте 27,5 кГц 150^о, на частоте 35 кГц 160^о, что соответствует требованиям, предъявляемым к преобразователям маяков-ответчиков.The width of the directivity characteristics of the converter (see Fig. 2) in terms of a signal level of 8 dB (this unevenness is generally accepted for weakly directed systems) is at a frequency of 20 kHz 130 ^° , at a frequency of 27.5 kHz 150 ^° , at a frequency of 35 kHz 160 ^° , which Meets the requirements for transponder beacons.

Для создания условий, предотвращающих выход из строя активного элемента акустического блока и генераторного устройства при всплытии изделия и работе в условиях чередующихся нагрузок вода-воздух, на излучающую поверх- ность полусферы нанесен согласующий слой толщиной δ

(2n+1) где n 0,1,2. с акустическим сопротивлением (ρc)_сл (1,6-2,0)˙ 10⁶кг/м² с в нашем случае из резины марки С-572 (ρc )= 1,7˙10⁶ кг/м² с.To create conditions that prevent the active element of the acoustic unit and the generator device from failing when the product emerges and when it is subjected to alternating water-air loads, a matching layer of thickness δ is applied to the radiating surface of the hemisphere

(2n + 1) where n is 0,1,2. with acoustic impedance (ρc) _cl (1.6-2.0) ˙ 10 ⁶ kg / m ² s in our case from rubber grade S-572 (ρc) = 1.7 ˙ 10 ⁶ kg / m ² s.

При этом активное сопротивление преобразователя при его работе в воздухе существенно увеличивается и приближается (а на ряде частот и превосходит) активное сопротивление акустического блока в воде, что приводит к стабилизации колебательной скорости и механического напряжения преобразователя. In this case, the active resistance of the transducer during its operation in air substantially increases and approaches (and at a number of frequencies exceeds) the active resistance of the acoustic unit in water, which leads to stabilization of the vibrational velocity and mechanical stress of the transducer.

Активное сопротивление преобразователя (см.фиг.3), работающего в воздухе в рабочем диапазоне частот, приближается к его активному сопротивлению в воде. При этом величина его КПД (в воде) возрастает до 80-90% (у преобразователя без согласующего слоя КПД 60%). The active resistance of the converter (see Fig. 3), operating in air in the working frequency range, approaches its active resistance in water. Moreover, the value of its efficiency (in water) increases to 80-90% (for a converter without a matching layer of efficiency of 60%).

Эффективная работа преобразователя осуществляется в области частот от 20 до 35 кГц. Частота механического резонанса колебательной системы полусферы ⌀ 80 мм (ЦТБС-3) составляет 27 кГц. При этом ее диаметр D 1,56 в воде, что соответствует условию, заложенному в формуле D (1,3-1,9) λ_c, которое определяет положение частоты резонанса полусферы вблизи средней частоты рабочего диапазона.The efficient operation of the converter is carried out in the frequency range from 20 to 35 kHz. The frequency of the mechanical resonance of the oscillatory system of the hemisphere ⌀ 80 mm (TsTBS-3) is 27 kHz. Moreover, its diameter D is 1.56 in water, which corresponds to the condition laid down in the formula D (1.3-1.9) λ _c , which determines the position of the resonance frequency of the hemisphere near the average frequency of the operating range.

Таким образом, разработанный преобразователь обладает простой конструкцией, малыми размерами и массой и превосходит по эффективности известные типы преобразователей, работающие в широком диапазоне частот при малой направленности в пространстве. Thus, the developed converter has a simple design, small size and weight and is superior in efficiency to the known types of converters operating in a wide frequency range with a small directivity in space.

Claims

A HYDROACOUSTIC TRANSMITTER OF A BEACON-TRANSMITTER containing a spherical piezoceramic element with a sealing layer on the active surface, characterized in that the piezoceramic element has a hemispherical shape with a diameter of D = (1.3-1.9) λ _s , where λ _c is the wavelength in water at the middle frequency of the operating range, it is equipped with a flat rigid base, hermetically connected to the hemisphere on the outer diameter through mechanical isolation, and in the center of the screed with its pole, while the sealing layer is made of material with (ρC) _sl = (1.6-2) ·10 ⁶ kg / m ² · c ² , thickness (2n + 1) λ _sl / 4 where

acoustic impedance, ρ _slab density, C the speed of sound _c _L, λ _slab wavelength at the resonant frequency of the transducer in the material layer, respectively.