RU2071184C1

RU2071184C1 - Wide-pulse hydroacoustic emitter

Info

Publication number: RU2071184C1
Application number: RU93057071A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Касаткин
Original assignee: Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1996-12-27

Abstract

FIELD: underwater acoustics. SUBSTANCE: invention may be used for development of low-frequency emitters of small sizes. Proposed emitter has active element composed of piezoactive sections and flexible passive spacers, frontal conical strap, tightening screw with nut, case joined to frontal conical strap via flexible spacers, sealing ring, rear strap and internal filling. Thickness of piezoactive sections are related as 5:2:2:1:1:1:1. Thickness of each spacer is d(0.25-0.3)$$$, where $$$ is thickness of piezoactive section of least thickness. Diameter of bigger base relates to diameter of smaller base of frontal strap in the form of truncated cone as to 2: 2.5. EFFECT: enhanced functional reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке низкочастотных излучателей малых размеров, работающих в полосе частот. The invention relates to hydroacoustics and can be used in the development of low-frequency emitters of small sizes operating in the frequency band.

Известен гидроакустический излучатель (Камп Л. Подводная акустика, М. Мир, 1972, с. 163), содержащий стержневой пьезоэлемент с накладками, стянутыми армирующей шпилькой, причем тыльная накладка используется для понижения резонансной частоты излучателя, а фронтальная для излучения в рабочую среду. A hydroacoustic emitter is known (Camp L. Underwater acoustics, M. Mir, 1972, p. 163), containing a rod piezoelectric element with overlays pulled together by a reinforcing pin, the back plate being used to lower the resonant frequency of the emitter, and the front one for radiation into the working medium.

Недостатками такого излучателя являются низкая чувствительность при использовании массивных частотопонижающих накладок, малая полоса рабочих частот и недостаточная направленность. The disadvantages of such a radiator are low sensitivity when using massive frequency-reducing pads, a small band of operating frequencies and insufficient directivity.

Известен гидроакустический излучатель (Носов В.Н. Новые акустические преобразователи с односторонней направленностью колебаний для геофизических работ. М. 1988, М-во геологии СССР, Межотраслевой научно-технический комплекс "Геос", ВНИИгеоинформсистем, с. 14, рис.5б), содержащий корпус, активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб, коническую фронтальную и тыльную накладки, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь. В таком излучателе понижение резонансной частоты определяется совместным влиянием тыльной накладки и фронтальной конической накладки, а эффективность излучения увеличена за счет трансформирующих свойств конической фронтальной накладки и уменьшения массы тыльной накладки. Known sonar emitter (Nosov VN New acoustic transducers with one-sided directional vibrations for geophysical work. M. 1988, Moscow State Geology Institute, Intersectoral Scientific and Technical Complex "Geos", VNIIgeoinformsistem, p. 14, Fig. 5b), comprising a housing, an active element in the form of a set of piezoceramic washers, a conical front and rear plates, a tightening bolt with a nut, the base of the smaller diameter of the conical front plate facing the core active element, and the internal volume of the body sa filled intermediate medium with an acoustic impedance equal to the acoustic impedance of the working environment, which is loaded with the converter. In such an emitter, a decrease in the resonant frequency is determined by the combined influence of the back plate and the front conical plate, and the radiation efficiency is increased due to the transforming properties of the conical front plate and a decrease in the mass of the back plate.

Недостаток излучателя слабая направленность, обусловленная излучением корпуса, жестко связанного фланцевым соединением с излучающей фронтальной накладкой, малая рабочая полоса частот и сравнительно большие размеры. Указанный излучатель является наиболее близким к заявляемому изобретению. The disadvantage of the emitter is weak directivity due to the radiation of the housing, rigidly connected by a flange connection to the radiating front plate, a small working frequency band and a relatively large size. The specified emitter is the closest to the claimed invention.

В основу изобретения положена задача разработки малогабаритного направленного гидроакустического излучателя, обеспечивающего эффективную работу в широкой полосе частот и предназначенного для использования на необитаемых подводных аппаратах и других подводных средствах. The basis of the invention is the task of developing a small-sized directional sonar emitter that provides effective operation in a wide frequency band and is intended for use on uninhabited underwater vehicles and other underwater means.

Поставленная задача решается тем, что в гидроакустическом излучателе, содержащем корпус, активный элемент в виде набора пьезокерамических шайб с поляризацией по высоте, помещенный между конической фронтальной и тыльной накладками, стягивающий болт с гайкой, причем к стержневому активному элементу обращено основание меньшего диаметра конической фронтальной накладки, а внутренний объем корпуса заполнен промежуточной средой с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению рабочей среды, на которую нагружен преобразователь, набор пьезокерамических шайб разделен гибкими пассивными прокладками на семь секций, толщины которых относятся как числа 5 2 2: 1 1 1 1. Толщина каждой прокладки d (0,25^oC0,3)d₁, где d₁ толщина секции наименьшей толщины, причем к фронтальной конической накладке обращена секция наибольшей толщины, отношение диаметра большего основания к диаметру меньшего основания фронтальной конической накладки в виде усеченного конуса, равно 2 2,5, резонансная частота фронтальной конической накладки f_рез (0,6^oC0,8)f₁, где f₁ частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента, а соединение фронтальной конической накладки и корпуса излучателя выполнено гибким. Такое конструктивное исполнение излучателя позволило существенно уменьшить его габариты и вес за счет применения гибких пассивных прокладок при сохранении достаточно высокой эффективности его работы, которая неизбежно уменьшается при введении гибких пассивных прокладок. В заявляемом излучателе гибкие прокладки сосредоточены в основном в тыльном звене активного элемента, где малы пьезонапряжения, и отсутствуют во фронтальном звене, где пьезонапряжения достигают максимального значения, поэтому эффективный коэффициент электромеханического преобразования уменьшается незначительно в сравнении с монолитным пьезоэлементом.The problem is solved in that in a sonar emitter containing a housing, an active element in the form of a set of piezoceramic washers with polarization in height, placed between the conical frontal and rear plates, a tightening bolt with a nut, and the base of the smaller diameter of the conical frontal plate faces the rod active element and the internal volume of the casing is filled with an intermediate medium with an acoustic impedance equal to the acoustic impedance of the working medium on which the atel set piezoceramic flexible washer split passive shims into seven sections, the thickness of which include the numbers 5 2 2 1 1 1 1. The thickness of each spacer d (0,25 ^o C0,3) d _1, where d _1, the thickness of the thinnest section moreover, the section of the greatest thickness is facing the front conical plate, the ratio of the diameter of the larger base to the diameter of the smaller base of the front conical plate in the form of a truncated cone is 2 2.5, the resonant frequency of the front conical plate f _cut (0.6 ^o C0.8) f _1, where frequency f ₁ st half-wave resonance rzhnevogo active element, and the connection pads and the conical front of the radiator casing is flexible. Such a design of the emitter allowed to significantly reduce its dimensions and weight due to the use of flexible passive gaskets while maintaining a sufficiently high efficiency of its work, which inevitably decreases with the introduction of flexible passive gaskets. In the inventive emitter, flexible gaskets are concentrated mainly in the back link of the active element, where the piezoelectric stresses are small, and are absent in the front link, where the piezoelectric stresses reach their maximum value, therefore, the effective coefficient of electromechanical conversion is slightly reduced in comparison with the monolithic piezoelectric element.

Кроме того, введение гибких прокладок позволяет уменьшить жесткость активного элемента, а следовательно, и его добротность на резонансных частотах и расширить полосу рабочих частот. In addition, the introduction of flexible gaskets allows you to reduce the stiffness of the active element, and therefore its quality factor at resonant frequencies and to expand the operating frequency band.

Направленность излучателя улучшена в сравнении с прототипом благодаря применению гибкой развязки корпуса от излучающей фронтальной накладки и уменьшению тыльного излучения. The emitter orientation is improved in comparison with the prototype due to the use of flexible decoupling of the case from the radiating front lining and the reduction of the back radiation.

Рабочая полоса частот сформирована в окрестности двух резонансных частот связанных колебаний излучателя с сохранением достаточно высокой эффективности его работы, как на резонансных частотах, так и в широкой полосе частот. Нижняя рабочая частота излучателя соответствует четвертьволновому резонансу активного элемента, т.е. в сравнении с прототипом она понижена примерно в два раза при сравнимых размерах активного элемента. The working frequency band is formed in the vicinity of two resonant frequencies of coupled oscillations of the emitter while maintaining a sufficiently high efficiency of its operation, both at resonant frequencies and in a wide frequency band. The lower working frequency of the emitter corresponds to the quarter-wave resonance of the active element, i.e. in comparison with the prototype, it is approximately halved with comparable dimensions of the active element.

Таким образом, излучатель в новой совокупности существенных признаков по своим характеристикам превосходит по уровню техники известные аналогичные излучатели, а совокупность существенных признаков изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом. Thus, the emitter in the new set of essential features in its characteristics exceeds the prior art similar analogous emitters, and the set of essential features of the invention has a causal relationship with the achieved technical result.

На чертеже схематически представлен широкоимпульсный гидроакустический излучатель. The drawing schematically shows a wide-pulse sonar emitter.

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. The emitter contains an active element 1, consisting of sections 2 and flexible passive gaskets 3, a front conical plate 4, a tightening bolt 5 with a nut 6, a housing 7 connected to the front conical plate through flexible gaskets 8, a sealing ring 9, a back plate 10 and an inner filling 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. The first section 2 forms a frontal link, loaded directly onto the frontal conical plate 4. It is composed of piezoelectric washers polarized in thickness, has a maximum electromechanical conversion coefficient, acoustic rigidity, and sound speed.

Две последующие секции 2 совместно с тремя гибкими пассивными прокладками 3 образуют промежуточное звено с пониженными коэффициентом электромеханического преобразования, акустической жесткостью и эффективной скоростью звука. Two subsequent sections 2 together with three flexible passive gaskets 3 form an intermediate link with a reduced coefficient of electromechanical conversion, acoustic rigidity and effective speed of sound.

Последние четыре секции 2 с тремя гибкими пассивными прокладками 4 между ними образуют тыльное звено с низкими коэффициентом электромеханического преобразования, акустической жесткостью и эффективной скоростью звука. The last four sections 2 with three flexible passive gaskets 4 between them form the rear link with a low coefficient of electromechanical conversion, acoustic rigidity and effective speed of sound.

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^oC2) раза.The total length of each of the three links of the active element 1 is approximately the same, the effective stiffness of the active element 1 is generally reduced (3 4) times in comparison with the stiffness of the monolithic active element made of piezoceramics, and the operating frequency band of the active element 1 is accordingly increased in ( 1.5 ^o C2) times.

Резонансная частота продольных колебаний активного элемента 1 определяет верхнюю частоту рабочей полосы частот. The resonant frequency of the longitudinal vibrations of the active element 1 determines the upper frequency of the working frequency band.

Фронтальная коническая накладка 4 выполнена в виде пластины с коническим переходом от основания малого диаметра, обращенного к активному элементу 1, к основанию большого диаметра, нагруженному на рабочую среду. Резонансная частота изгибных колебаний пластины определяет нижнюю граничную частоту диапазона частот. The front conical patch 4 is made in the form of a plate with a conical transition from the base of a small diameter facing the active element 1 to the base of a large diameter loaded on the working medium. The resonant frequency of the bending vibrations of the plate determines the lower cutoff frequency of the frequency range.

Рабочая полоса частот увеличена в (2 3) раза в сравнении с пластиной фиксированного радиуса за счет применения конического перехода. The working frequency band is increased (2 3) times in comparison with a plate of a fixed radius due to the use of a conical transition.

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. The internal filling 11 of the volume of the emitter with liquid, for example, transformer oil, plays the role of an elastic coupling element in a two-resonance oscillating system formed by a front conical patch 4 of variable thickness and a core active element 1 with variable acoustic stiffness.

В излучателе резонансная частота изгибных колебаний фронтальной конической накладки f_p (0,6^oC0,8)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.In the emitter, the resonant frequency of the bending vibrations of the front conical lining f _p (0.6 ^o C0.8) f ₁ , where f ₁ is the half-wave resonance frequency of the rod active element, while the working frequency bands of the coupled resonances overlap, the total working frequency band is about an octave, and the lower operating frequency approximately corresponds to the quarter-wave resonance of the active element.

Излучатель работает следующим образом. The emitter operates as follows.

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, т.к. 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 резонансом, перекрываются, образуя октавную рабочую полосу частот.When the operating voltage is applied to the active element 1, mechanical vibrations arise in it, which in turn excite vibrations in the frontally conical plate 4, which is acoustically connected with it. The main resonant frequency of oscillation is determined mainly by the parameters of the front conical plate 4, and their Q factor is small, t. to. the radial size of the lining varies widely;
The second resonant frequency is mainly determined by the parameters of the active element, the rigidity of which is reduced (3 4) times by the introduction of flexible passive gaskets with a corresponding decrease in the quality factor of the resonance. In the presence of acoustic coupling, which is provided by the internal volume, the working frequency bands corresponding to the associated resonance overlap, forming an octave working frequency band.

Claims

A wide-pulse hydroacoustic emitter containing a housing, an active element in the form of a set of piezoceramic washers with height polarization, placed between the conical front and back plates, a tightening bolt with a nut, the base of the smaller diameter of the conical front plate facing the rod active element, and the internal volume of the case is filled intermediate medium with acoustic impedance equal to the acoustic impedance of the working medium on which the transducer is loaded, characterized by We note that the set of piezoceramic washers is divided by flexible passive gaskets into seven sections, the thicknesses of which are 5: 2: 2: 1: 1: 1: 1, and the thickness of each gasket is d (0.25 0.3) d ₁ , where d _1, the thickness of the thinnest section, and a front conical section strip facing the greatest thickness ratio of the diameter to the larger base diameter of the smaller base of the conical front laths frustoconical equal to 2.0 2.5, the resonant frequency of the conical front laths f _e _p _s (0 6 0,8) f _1, wherein f ₁ the half-wave resonance frequency of the rod th active element, and the connection pads and the conical front of the radiator casing is flexible.