RU2167501C1 - Hydroacoustic transducer - Google Patents
Hydroacoustic transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2167501C1 RU2167501C1 RU99123832A RU99123832A RU2167501C1 RU 2167501 C1 RU2167501 C1 RU 2167501C1 RU 99123832 A RU99123832 A RU 99123832A RU 99123832 A RU99123832 A RU 99123832A RU 2167501 C1 RU2167501 C1 RU 2167501C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoceramic
- flange
- hull
- filled
- pressures
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности направленных преобразователей стержневого типа, работающих в широкой полосе частот в приемном режиме при высоких гидростатических давлениях. The invention relates to the field of designing hydroacoustic equipment, in particular directional rod-type transducers operating in a wide frequency band in the receiving mode at high hydrostatic pressures.
Известны конструкции стержневых преобразователей, формирующих однонаправленную характеристику и работающих при высоких гидростатических давлениях. (см. Справочник "Подводные электроакустические преобразователи". Л. 1983. стр. 93, рис. 6.1.б). Преобразователь на рис. 6.1.б) выполнен в виде пьезокерамического стержня с двумя металлическими накладками (передней и тыльной), размещен в герметичном корпусе, заполненном электроизоляционной жидкостью и имеющем компенсатор гидростатического давления. Known designs of rod transducers, forming a unidirectional characteristic and operating at high hydrostatic pressures. (see the Handbook "Underwater Electroacoustic Converters". L. 1983. p. 93, Fig. 6.1.b). The converter in fig. 6.1.b) is made in the form of a piezoceramic rod with two metal plates (front and back), placed in a sealed enclosure filled with electrical insulating liquid and having a hydrostatic pressure compensator.
В такой конструкции на пьезокерамический элемент при погружении на большую глубину действует всестороннее гидростатическое давление, равное давлению на этой глубине. При этом активные свойства пьезокерамики остаются неизменными. In this design, the piezoceramic element when immersed to a great depth is affected by a comprehensive hydrostatic pressure equal to the pressure at this depth. At the same time, the active properties of piezoceramics remain unchanged.
Однонаправленная характеристика обеспечивается асимметрией конструкции, т. е. тем, что масса передней накладки значительно меньше массы тыльной накладки. Недостатком конструкции является наличие дополнительных резонансов объема жидкости внутри преобразователя, которые искажают частотную характеристику и характеристику направленности преобразователя, что особенно негативно сказывается при работе в широкой полосе частот. The unidirectional characteristic is ensured by the asymmetry of the structure, i.e., the fact that the mass of the front lining is much less than the mass of the back lining. The design drawback is the presence of additional resonances of the liquid volume inside the converter, which distort the frequency response and the directivity of the converter, which is especially negative when working in a wide frequency band.
Известно (Патент Франции N 2.498.867 по кл. H 04 R 17/00), что для исключения влияния жидкого заполнителя может быть использована воздушная компенсация, однако она непригодна при высоких гидростатических давлениях в силу большой сжимаемости воздуха. It is known (French Patent N 2.498.867 for class H 04 R 17/00) that air compensation can be used to exclude the influence of liquid aggregate, but it is unsuitable at high hydrostatic pressures due to the high compressibility of the air.
Известна конструкция (Справочник рис. 6.3.б) стержневого пьезокерамического преобразователя, герметизация которого осуществляется путем размещения пьезоэлемента в полимерной оболочке. При этом также обеспечивается всестороннее давление на пьезокерамику, однако рабочие давления ограничены свойствами мягкого экрана, размещенного у тыльной поверхности пьезоэлемента и, как правило, не превосходят 30 атм. The known design (Reference Fig. 6.3.b) of the rod piezoelectric transducer, the sealing of which is carried out by placing the piezoelectric element in the polymer shell. At the same time, comprehensive pressure on the piezoceramics is also provided, however, working pressures are limited by the properties of the soft screen located on the back surface of the piezoelectric element and, as a rule, do not exceed 30 atm.
Большое распространение получили так называемые разгруженные конструкции, в которых гидростатическое давление не действует на пьезокерамический элемент, а воспринимается корпусом и развязкой, находящейся, как правило, у передней накладки. The so-called unloaded constructions in which hydrostatic pressure does not act on the piezoceramic element, but is perceived by the body and decoupling, which is usually located at the front cover, are widely used.
В патенте США N 4.219.889 для улучшения качества развязки и повышения допустимого рабочего давления предлагается выполнять развязку между корпусом и передней накладкой не из резины, как обычно, а из пачки спрессованных листов бумаги. In US patent N 4.219.889, to improve the quality of the decoupling and increase the permissible working pressure, it is proposed to decouple between the case and the front cover not from rubber, as usual, but from a pack of pressed sheets of paper.
Таким образом, удается обеспечить работу при давлениях до 70 атм. Thus, it is possible to ensure operation at pressures up to 70 atm.
В патенте России N 2090013 по кл. H 04 R 17/00 предлагается крепление колебательной системы к корпусу производить "за нулевую линию". При этом существенно уменьшаются усилия, действующие на развязку, однако этот способ эффективен в узком диапазоне частот, при этом конструкция получается достаточно сложной. In the patent of Russia N 2090013 according to class. H 04 R 17/00 it is proposed that the oscillating system be mounted to the housing “for the zero line”. At the same time, the forces acting on the decoupling are significantly reduced, however, this method is effective in a narrow frequency range, and the design is quite complicated.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является стержневой преобразователь, приведенный в упоминаемом выше Справочнике "Подводные электроакустические преобразователи" на стр.98 рис. 6.1.а). The closest in technical essence to the proposed one is the rod transducer shown in the above-mentioned Handbook "Underwater Electroacoustic Converters" on page 98 of fig. 6.1.a).
В этом преобразователе пьезокерамический стержневой элемент с двумя накладками размещен в прочном корпусе, заполненном газом, и развязан от него с помощью резинового уплотнения, которое крепится путем вулканизации. Преобразователь может эффективно работать в режиме приема в широком диапазоне частот, однако, рабочие давления ограничены прочностью развязки, находящейся под воздействием одноосного сжатия по величине, существенно превышающей величину наружного гидростатического давления. In this transducer, a piezoceramic rod element with two overlays is placed in a sturdy case filled with gas and is decoupled from it by means of a rubber seal, which is fastened by vulcanization. The converter can effectively operate in the reception mode in a wide frequency range, however, the working pressures are limited by the decoupling strength, which is under the influence of uniaxial compression in magnitude, significantly exceeding the value of the external hydrostatic pressure.
Диапазон рабочих давлений такого преобразователя не превышает 50 атм. The operating pressure range of such a converter does not exceed 50 atm.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции гидроакустического преобразователя, способного работать при повышенных гидростатических давлениях с сохранением параметров в широком диапазоне частот и гидростатических давлений. The objective of the present invention is to provide the design of a sonar transducer capable of operating at elevated hydrostatic pressures while maintaining parameters in a wide range of frequencies and hydrostatic pressures.
Для решения поставленной задачи в преобразователь, содержащий пьезокерамический стержневой элемент с двумя накладками, герметично размещенный в заполненном газом прочном корпусе и акустически развязанный от него, внесены следующие новые признаки: замкнутый объем, заключенный между свободной торцевой поверхностно тыльной накладки, дном и тыльной частью стенок корпуса, заполнен слоем резиноподобного полимера, передняя накладка имеет рабочую поверхность по площади, близкую к площади поперечного сечения пьезокерамического стержневого элемента, и выступающий фланец на стороне, обращенной к пьезокерамическому элементу, а фиксация положения стержневого элемента с накладками относительно боковой поверхности корпуса выполнена в виде кольцевых резиновых уплотнений на боковых поверхностях обеих накладок, при этом у передней накладки уплотнение заключено между ее фланцем и фланцем металлического кольца, которое жестко скреплено с передней частью корпуса. To solve this problem, the following new features are introduced into the transducer containing a piezoceramic rod element with two plates, hermetically seated in a durable gas-filled housing and acoustically isolated from it: closed volume enclosed between the free end surface-back plate, the bottom and back of the case walls filled with a layer of rubber-like polymer, the front plate has a working surface in area close to the cross-sectional area of the piezoceramic rod element, and a protruding flange on the side facing the piezoceramic element, and fixing the position of the rod element with the plates relative to the side surface of the housing is made in the form of ring rubber seals on the side surfaces of both plates, while the seal on the front plate is enclosed between its flange and the metal ring flange which is rigidly bonded to the front of the case.
В конструкции предлагаемого преобразователя, как и в конструкции прототипа, внутренняя часть корпуса заполнена воздухом (газом), вследствие чего отсутствуют паразитные резонансы, имеющие место в конструкциях с жидким заполнением, и частотные характеристики, так же как и характеристики направленности, реализуются без искажений в широком диапазоне частот. In the design of the proposed Converter, as in the design of the prototype, the inner part of the housing is filled with air (gas), as a result of which there are no spurious resonances that occur in structures with liquid filling, and the frequency characteristics, as well as the directivity characteristics, are realized without distortion in a wide frequency range.
При этом преобразователь предлагаемой конструкции способен нормально работать при значительно больших давлениях, чем прототип, практически не изменяя своих характеристик. Это обеспечивается тем, что гидростатическое давление в предлагаемом преобразователи не трансформируется по величине и воздействует через пьезокерамический стержневой элемент с накладками на слой полимера, заключенного в замкнутый объем. В результате пьезокерамика находится под действием осевых сжимающих напряжений по величине равных гидростатическому давлению, а слой полимера испытывает напряжения всестороннего сжатия. Moreover, the converter of the proposed design is able to operate normally at significantly higher pressures than the prototype, practically without changing its characteristics. This is ensured by the fact that the hydrostatic pressure in the proposed transducers does not transform in magnitude and acts through a piezoceramic rod element with overlays on a polymer layer enclosed in a closed volume. As a result, piezoelectric ceramics is under the action of axial compressive stresses equal in magnitude to hydrostatic pressure, and the polymer layer experiences stresses of comprehensive compression.
Известно (Справочник, стр. 159), что прочность пьезокерамики при статическом сжатии превышает 3000 кг/см2, а современные составы пьезокерамики способны выдерживать осевые сжатия до 600 кг/см2 без существенного ухудшения электроакустических параметров (там же, стр. 166-168).It is known (Handbook, p. 159) that the strength of piezoceramics with static compression exceeds 3000 kg / cm 2 , and modern piezoceramics can withstand axial compressions up to 600 kg / cm 2 without significant deterioration of electro-acoustic parameters (ibid., Pp. 166-168 )
Очевидно также, что резиноподобный полимер, находясь в состоянии всестороннего сжатия в замкнутом объеме, не будет претерпевать существенных деформаций, а следовательно, и не будет менять под давлением своих отражающих, экранирующих и развязывающих свойств. It is also obvious that the rubber-like polymer, being in a state of comprehensive compression in a closed volume, will not undergo significant deformations, and therefore will not change its reflective, shielding and decoupling properties under pressure.
Благодаря этому преобразователь предлагаемой конструкции может работать без заметного изменения своих характеристик по крайней мере до давлений 600 кг/см2, что соответствует глубинам погружения до 6000 м.Due to this, the converter of the proposed design can operate without a noticeable change in its characteristics, at least up to pressures of 600 kg / cm 2 , which corresponds to immersion depths of up to 6000 m.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 приведена примерная конструкция предлагаемого преобразователя, а на фиг. 2 - зависимость чувствительности преобразователя в режиме приема от величины осевого сжатия. The invention is illustrated in FIG. 1 and 2, where in FIG. 1 shows an exemplary design of the proposed Converter, and in FIG. 2 - dependence of the sensitivity of the transducer in the receiving mode on the value of axial compression.
Пьезокерамический стержень 1 (фиг. 1) из дисков с выведенными электродами 2 жестко соединен (склеен) с передней 3 и тыльной 4 металлическими накладками и размещен в корпусе 5. Тыльная накладка 4 соединяется с корпусом 5 через резиновый экран 6. The piezoceramic rod 1 (Fig. 1) of the disks with the removed electrodes 2 is rigidly connected (glued) to the front 3 and rear 4 metal plates and placed in the housing 5. The rear plate 4 is connected to the housing 5 through a rubber screen 6.
Передняя накладка 3 зафиксирована - относительно корпуса 5 с помощью металлического кольца 7, жестко соединенного (склеенного) с передней частью корпуса 5. Между фланцем 8 передней накладки 3 и фланцем 9 кольца 7 расположено резиновое кольцевое уплотнение 10. The front plate 3 is fixed - relative to the housing 5 using a metal ring 7, rigidly connected (glued) to the front of the housing 5. Between the flange 8 of the front plate 3 and the flange 9 of the ring 7 is a rubber ring seal 10.
Аналогичное уплотнение 11 размещается между тыльной накладкой 4 и корпусом 5 в пазу, расположенном на боковой поверхности накладки 4. Кольцевые уплотнения 10 и 11 осуществляют одновременно и фиксацию положения колебательной системы относительно боковой поверхности корпуса 5 и развязку этой системы относительно корпуса. Со стороны передней накладки расположен слой герметизирующей резины 12. A similar seal 11 is placed between the back plate 4 and the body 5 in a groove located on the side surface of the plate 4. The ring seals 10 and 11 simultaneously fix the position of the oscillating system relative to the side surface of the body 5 and decoupling this system relative to the body. On the side of the front pads is a layer of sealing rubber 12.
С тыльной стороны корпуса имеется патрубок 13 для герметичного соединения с кабелем и фланец 14 для крепления преобразователя к несущим конструкциям при установке на объект. Дно корпуса 15 выполнено достаточно массивным. On the back of the case there is a pipe 13 for tight connection with the cable and a flange 14 for mounting the transducer to the supporting structures when installed on the object. The bottom of the housing 15 is made quite massive.
В корпусе имеется отверстие 16 для размещения проводов 17, соединенных с электродами 2 пьезокерамического стержня. The housing has an opening 16 for accommodating wires 17 connected to the electrodes 2 of the piezoceramic rod.
Наличие в конструкции преобразователя металлического кольца 7 с фланцем 9, так же как и присутствие аналогичного фланца 8 у передней накладки 3 объясняется стремлением уменьшить величину давления, воздействующего на пьезокерамику, путем уменьшения площади приемной поверхности передней накладки до площади поперечного сечения пьезокерамического стержня. The presence of a metal ring 7 with a flange 9 in the converter design, as well as the presence of a similar flange 8 at the front plate 3 is explained by the desire to reduce the pressure acting on the piezoceramics by reducing the receiving surface area of the front plate to the cross-sectional area of the piezoceramic rod.
При этом, однако, необходимо сохранить малый зазор между корпусом и приемной поверхностью накладки, чтобы предотвратить затекание резины в этот зазор при действии внешнего давления. Его величина должна быть не более 0,2 мм. Естественно, что в такой зазор при сборке невозможно пропустить элементы электрического монтажа 2, расположенные на наружной поверхности пьезокерамического стержня 1. Поэтому зазор между корпусом 5 и пьезоэлементом 1 выполняется достаточно большим, а после размещения в корпусе колебательной системы преобразователя зазор "закрывается" металлическим кольцом 7, жестко присоединяемым к корпусу 5, например, путем склейки. In this case, however, it is necessary to maintain a small gap between the body and the receiving surface of the lining, in order to prevent the rubber from leaking into this gap under the action of external pressure. Its value should be no more than 0.2 mm. Naturally, in such a gap during assembly it is impossible to skip the electrical mounting elements 2 located on the outer surface of the piezoceramic rod 1. Therefore, the gap between the housing 5 and the piezoelectric element 1 is large enough, and after placing the transducer’s oscillatory system in the housing, the gap is “closed” with a metal ring 7 rigidly attached to the housing 5, for example, by gluing.
Толщина резиноподобного слоя 5 у тыльной накладки выбирается равной четверти длины волны в материале слоя на средних частотах рабочего диапазона. Известно, что такой слой в сочетании с массой дна корпуса обладает высокими экранирующими свойствами. На верхних частотах диапазона слой играет роль обычной развязки от корпуса, а на нижних частотах экранировка тыла обеспечивается достаточно большой массой дна 15 и всего корпуса, которая как бы присоединяется к массе тыльной накладки 1 преобразователя, образуя асимметричную колебательную систему, не требуя дополнительной экранировки. The thickness of the rubber-like layer 5 at the back lining is chosen equal to a quarter of the wavelength in the layer material at medium frequencies of the operating range. It is known that such a layer in combination with the mass of the bottom of the housing has high shielding properties. At the upper frequencies of the range, the layer plays the role of a normal decoupling from the case, and at lower frequencies the rear screening is provided by a sufficiently large mass of the bottom 15 and the entire body, which, as it were, is attached to the mass of the rear cover 1 of the converter, forming an asymmetric oscillatory system, without requiring additional screening.
Таким образом предложенная конструкция обеспечивает формирование требуемой ХН в широком диапазоне частот и гидротических давлений. (В.Е. Глазанов. "Экранирование гидроакустических антенн" 1986 г., стр.29). Thus, the proposed design ensures the formation of the required CN in a wide range of frequencies and hydrotic pressures. (V.E. Glazanov. "Shielding of hydroacoustic antennas" 1986, p. 29).
Работа преобразователя в режиме приема осуществляется следующим образом: давление гидроакустического сигнала через герметизирующую резину 12 воздействует на переднюю накладку 3 колебательной системы и вызывает механические напряжения в пьезокерамическом элементе 1, которые преобразуются в электрические сигналы на его электродах 2, передаваемые по проводам 17 на кабель и приборы тракта обработки. The operation of the transducer in the receiving mode is as follows: the pressure of the hydroacoustic signal through the sealing rubber 12 acts on the front plate 3 of the oscillating system and causes mechanical stresses in the piezoceramic element 1, which are converted into electrical signals on its electrodes 2, transmitted via wires 17 to the cable and devices processing path.
Благодаря хорошей развязке накладок 3 и 4 от корпуса 5 и наличию воздушного зазора (экрана) между пьезоэлементом и стенками корпуса 5 преобразователь формирует характеристики направленности правильной формы во всем диапазоне рабочих частот. Due to the good isolation of the pads 3 and 4 from the housing 5 and the presence of an air gap (screen) between the piezoelectric element and the walls of the housing 5, the converter generates regular directional characteristics in the entire range of operating frequencies.
Малый уровень тыльных лепестков обеспечивается наличием экрана 6, параметры которого не зависят от величины гидростатического давления. Гидростатическое давление передается на пьезоэлемент 1, воздействуя на переднюю накладку 3 и на дно корпуса 15. A small level of the back lobes is ensured by the presence of a screen 6, the parameters of which are independent of the hydrostatic pressure. Hydrostatic pressure is transmitted to the piezoelectric element 1, acting on the front plate 3 and on the bottom of the housing 15.
Из графика на фиг. 2 видно, что при напряжениях в пьезокерамике до 600 кг/см2 параметры пьезокерамики, определяющие чувствительность в приеме изменяются мало.From the graph in FIG. 2 it can be seen that at voltages in piezoceramics up to 600 kg / cm 2, the parameters of piezoceramics, which determine the sensitivity in reception, change little.
На фиг. 2 приведена зависимость для состава ЦТБСЗ, использованного в описываемом преобразователе. In FIG. Figure 2 shows the dependence for the composition of TsTBSS used in the described Converter.
При площади передней накладки 3, близкой к площади пьезоэлемента 1, напряжение 600 кг/см2 соответствует глубине погружения 6000 м.When the area of the front lining 3, close to the area of the piezoelectric element 1, a voltage of 600 kg / cm 2 corresponds to an immersion depth of 6000 m
Экспериментальные исследования макета преобразователя в том числе при воздействии давления до 600 атм подтвердили правильность рассмотренных выше конструктивных решений. Experimental studies of the model of the converter, including when exposed to pressures up to 600 atm, confirmed the correctness of the design solutions discussed above.
Таким образом, предложенная конструкция преобразователя обеспечивает требуемый положительный эффект. Thus, the proposed design of the Converter provides the desired positive effect.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99123832A RU2167501C1 (en) | 1999-11-15 | 1999-11-15 | Hydroacoustic transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99123832A RU2167501C1 (en) | 1999-11-15 | 1999-11-15 | Hydroacoustic transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2167501C1 true RU2167501C1 (en) | 2001-05-20 |
Family
ID=20226892
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99123832A RU2167501C1 (en) | 1999-11-15 | 1999-11-15 | Hydroacoustic transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2167501C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2583131C1 (en) * | 2015-01-21 | 2016-05-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Hydroacoustic broadband converter |
-
1999
- 1999-11-15 RU RU99123832A patent/RU2167501C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Справочник. Подводные электроакустические преобразователи/ Под. ред. В.В.Богородского. - Л.: Судостроение, 1983, с.98, рис.6.1.а. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2583131C1 (en) * | 2015-01-21 | 2016-05-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Hydroacoustic broadband converter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100924618B1 (en) | A piezoelectric element and an oscillation transducer with a piezoelectric element | |
| US2473971A (en) | Underwater transducer | |
| US3890423A (en) | Electroacoustic transducer assembly | |
| US3474403A (en) | Electroacoustic transducer with improved shock resistance | |
| JPS612940A (en) | Double chamber engine mount | |
| US4364117A (en) | Shock-hardened, high pressure ceramic sonar transducer | |
| US4450544A (en) | Absorptive sonar baffle | |
| US4219889A (en) | Double mass-loaded high power piezo-electric underwater transducer | |
| US8780674B2 (en) | Acoustic wave transducer and sonar antenna with improved directivity | |
| US2413462A (en) | Transducer | |
| US3094636A (en) | Underwater transducer | |
| US3308423A (en) | Electroacoustic transducer | |
| RU2167501C1 (en) | Hydroacoustic transducer | |
| US3460061A (en) | Electroacoustic transducer with improved shock resistance | |
| RU2166840C2 (en) | Hydroacoustic antenna | |
| US2746026A (en) | Half wave annular transducer | |
| US3266011A (en) | Hydrophone | |
| CN110639784B (en) | Low-frequency narrow-beam transducer, transduction method and application | |
| CN112954578B (en) | Vibration balance type low-noise deep sea hydrophone and manufacturing method thereof | |
| RU2167496C1 (en) | Hydroacoustic multi-unit antenna and piezoelectric rod transducer for said antenna | |
| CN112530392A (en) | Multimode broadband high-power directional emission longitudinal vibration underwater acoustic transducer | |
| RU2292674C1 (en) | Hydro-acoustic rod transformer | |
| RU2267866C1 (en) | Hydro-acoustic rod-type transformer | |
| JP2000121489A (en) | Construction of experimental water tank in underwater vibration stage equipment | |
| RU196335U1 (en) | LONG-BENDING HYDROACOUSTIC CONVERTER |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091116 |