RU219388U1 - Низкочастотный продольно-изгибный пьезокерамический преобразователь с корректируемой частотой резонанса - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована при изготовлении излучателей в антеннах для гидроакустических буев, в гибких протяженных буксируемых излучающих гидроакустических антеннах, для звукоподводной связи, в составе гидроакустических модемов и системах освещения подводной обстановки. Сущность предлагаемого решения состоит в том, что в низкочастотном продольно–изгибном пьезокерамическом преобразователе, содержащем армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезоэлектрических шайб; корпус, имеющий переменную по высоте толщину бочкообразной боковой стенки, увеличивающуюся к середине высоты преобразователя, на которой выполнены аксиальные профильные прорези, заклеенные эластичным материалом таким образом, что каждая эластичная вкладка в продольном сечении выполнена повторяющей геометрическую форму аксиальной профильной прорези, а в поперечном сечении имеет арочную форму, скругленная часть которой направлена к внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса, а нескругленные части приклеены внешними сторонами к боковым поверхностям аксиальной профильной прорези, причем склейка занимает всю площадь боковой поверхности, часть корпуса, находящаяся в районе окончания аксиальных профильных прорезей, от 10 до 20% длины прорези с обеих сторон выполнена из материала, предел текучести которого превышает предел текучести материала корпуса. Техническим результатом заявленной полезной модели является увеличение ресурса и устойчивости к гидростатическому давлению пьезоэлектрического излучателя после коррекции его резонансной частоты путем подачи внутрь давления, вызывающего контролируемую пластическую деформацию корпуса излучателя. 1 ил.

Description

Решение относится к области гидроакустики и может быть использовано при изготовлении излучателей в антеннах для гидроакустических буев, в гибких протяженных буксируемых излучающих гидроакустических антеннах, для звукоподводной связи, в составе гидроакустических модемов и системах освещения подводной обстановки.

Для увеличения дальности в излучающих гидроакустических системах стараются сформировать луч с как можно более узкой диаграммой направленности, для чего ее делают состоящей из нескольких (обычно 8-15) излучателей. Наиболее удобными для создания гидроакустической антенны в настоящее время являются излучатели продольно изгибного типа, которые, для достижения максимальной излучаемой мощности при минимальных габаритах, задействуют в режиме резонанса.

Из патента на полезную модель RU №81104 (МПК В06В 1/06, H04R 17/00; приор. 27.10.2008; публ. 10.03.2009) известен продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь, содержащий армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезоэлектрических шайб, корпус бочкообразной формы с аксиальными профильными прорезями на боковой поверхности, имеющий максимальный диаметр на торцах, минимальный на середине высоты, и переменную по высоте толщину стенки, уменьшающуюся к центру, торцевые крышки и герметизирующее покрытие, причем образующие внутренней и внешней поверхности корпуса являются параболами с меньшим и большим радиусом кривизны соответственно.

Переменная по высоте корпуса толщина стенки увеличивает надежность прототипа вследствие уменьшения механических напряжений в его корпусе, а форма образующих в виде парабол, как имеющая наименьшее изменение радиуса кривизны при действии внешнего давления и, наряду с размерами и жесткостью материала корпуса, определяет резонансную частоту преобразователя. Существенным недостатком прототипа является низкая устойчивость к внутреннему статическому давлению, которое подается внутрь излучателя перед опусканием его на глубину для компенсации внешнего гидростатического давления, возникающего при работе излучателя на глубине.

С низкой устойчивостью к внутреннему статическому давлению связана и невозможность регулировки резонансной частоты уже изготовленного излучателя, что важно для достижения максимальной эффективности гидроакустической излучающей антенны, для которой требуется, чтобы все входящие в нее излучатели имели одинаковую резонансную частоту. Практика показывает, что излучатели, собранные с корпусами, изготовленным по одним и тем же чертежам, из одного и того же образца материала, на одном и том же оборудовании имеют разброс резонансных частот 10-15%, что резко усложняет правильное формирование диаграммы направленности антенны. Попытки корректировать резонансную частоту путем подачи внутрь излучателя давления, вызывающего пластическую деформацию корпуса, изменение его жесткости и, соответственно, коррекцию резонансной частоты всего излучателя, не имеют успеха, так как необходимые для этого давления герметизация корпуса уже не выдерживает.

От указанных выше недостатков свободен выбранный в качестве прототипа низкочастотный продольно изгибный пьезокерамический преобразователь, известный из патента №2737241 СПК В06В 1/06 (2020.08); H04R 17/00 (2020.08) приор. 25.03.2020, содержащий армированный стержневой активный элемент, расположенный в корпусе между торцевыми крышками. Торцевые крышки являются армирующим элементом и могут иметь отверстия для пропуска транзитных проводов, пролегающих во внутренней полости преобразователя. Корпус имеет переменную по высоте толщину бочкообразной боковой стенки, увеличивающуюся к середине высоты преобразователя. На бочкообразной боковой стенке корпуса выполнены аксиальные профильные прорези, заклеенные эластичными вкладками, которые в продольном сечении выполнены повторяющими геометрическую форму аксиальных профильных прорезей, а в поперечном сечении имеют арочную форму, скругленная часть которой направлена к внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса, а нескругленные части приклеены внешними сторонами к боковым поверхностям одной из аксиальных профильных прорезей.

Указанный преобразователь обладает хорошей устойчивостью к внутреннему статическому давлению. Испытания показали, что фактором, ограничивающим величину возможного внутреннего давления, является не устойчивость герметизации, а пластическая деформация корпуса, которая наступает при больших внутренних давлениях, чем разрушается герметизация.

Это создает возможность корректировать резонансную частоту излучателя путем накачки внутрь избыточного давления контролируемой величины, вызывающего допустимую деформацию корпуса, снижение его жесткости и, соответственно, снижение резонансной частоты излучателя.

Существенным недостатком прототипа является то, что возникающая при накачке пластическая деформация происходит в концевых частях аксиальных профильных прорезей, которые при работе излучателя являются наиболее нагруженными, что приводит к резкому снижению ресурса и устойчивости к гидростатическому давлению.

Задачей, на решение которой направлено данное решение, является недопущение снижения ресурса и устойчивости к гидростатическому давлению продольно изгибного пьезоэлектрического излучателя после коррекции его резонансной частоты путем подачи внутрь давления, вызывающего контролируемую пластическую деформацию его корпуса.

Технический результат достигается тем что в низкочастотном продольно-изгибном пьезокерамическом преобразователе, содержащем армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных толщине пьезоэлектрических шайб, корпус, имеющий переменную по высоте толщину бочкообразной боковой стенки, увеличивающуюся к середине высоты преобразователя, на которой выполнены аксиальные профильные прорези, заклеенные эластичным материалом таким образом, что каждая эластичная вкладка в продольном сечении выполнена повторяющей геометрическую форму аксиальной профильной прорези, а в поперечном сечении имеет арочную форму, скругленная часть которой направлена к внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса, а нескругленные части приклеены внешними сторонами к боковым поверхностям аксиальной профильной прорези, причем склейка занимает всю площадь боковой поверхности, часть корпуса находящаяся в районе окончания аксиальных профильных прорезей от 10 до 20% длины прорези с обеих сторон выполнена из материала, предел текучести которого превышает предел текучести материала корпуса, что обеспечивается технологией аддитивного электродугового выращивания различными по своим физико-механическим характеристикам материалами.

Поставленная цель достигается тем, что низкочастотный продольно - изгибный пьезоэлектрический преобразователь содержит армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус, имеющий переменную по высоте толщину бочкообразной боковой стенки, на которой выполнены аксиальные профильные прорези, заклеенные эластичным материалом и торцевые крыши причем часть корпуса, находящаяся в районе окончания аксиальных профильных прорезей, от 10 до 20% длины прорези с обеих сторон, выполнена из материала, предел текучести которого превышает предел текучести материала корпуса.

Новым является то, что часть корпуса, находящаяся в районе окончания аксиальных профильных прорезей, от 10 до 20% длины прорези с обеих сторон, выполнена из функционально-градиентного материала, полученного методом аддитивной электродуговой наплавки, предел текучести которого превышает предел текучести материала корпуса.

Решение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 приведены продольное и поперечное сечения одного из вариантов реализации предлагаемого низкочастотного продольно - изгибного пьезокерамического преобразователя. Рисунок поясняет, но не ограничивает данное решение.

Предложенный низкочастотный продольно изгибный пьезокерамический преобразователь (см. фиг. 1) содержит армированный стержневой активный элемент 1, расположенный в корпусе 2 между торцевыми крышками 3. Торцевые крышки 3 являются армирующим элементом и могут иметь отверстия для пропуска транзитных проводов, пролегающих во внутренней полости преобразователя. Корпус 2 имеет переменную по высоте толщину бочкообразной боковой стенки, увеличивающуюся к середине высоты преобразователя. На бочкообразной боковой стенке корпуса 2 выполнены аксиальные профильные прорези 4, заклеенные эластичными вкладками 5, которые в продольном сечении выполнены повторяющими геометрическую форму аксиальных профильных прорезей 4, а в поперечном сечении имеют арочную форму, скругленная часть которой направлена к внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса 2, а нескругленные части приклеены внешними сторонами к боковым поверхностям одной из аксиальных профильных прорезей 4, причем область склейки занимает всю площадь боковой поверхности одной из аксиальных профильных прорезей 4. Часть корпуса 6, находящаяся в районе окончания аксиальных профильных прорезей 4, от 10 до 20% длины прорези с обеих сторон выполнена из материала, предел текучести которого превышает предел текучести материала корпуса за счет регулирования режимов аддитивной электродуговой наплавки и создания функционально-градиентных свойств материала.

Предложенный низкочастотный продольно - изгибный преобразователь работает следующим образом. Продольные колебания активного элемента 1 преобразуются в колебания бочкообразной боковой стенки корпуса 2, в результате чего система «активный элемент 1 - корпус 2» совершает изгибные механические колебания, возбуждая упругие колебания окружающей среды. Полезная работа (излучение акустической энергии) совершается за счет изменения объема корпуса 2 преобразователя которое обеспечивается изменением его диаметра. При необходимости коррекции резонансной частоты внутрь корпуса подается избыточное давление, приводящее к упругой деформации средней части корпуса, прилегающей к аксиальным профильным прорезям 4. Поскольку часть корпуса 6, находящаяся в районе окончания аксиальных профильных прорезей 4 выполнена из материала (например сталь 35ХМ), предел текучести которого превышает предел текучести материала корпуса (например сталь 20), можно легко подобать такое избыточное давление, закачиваемое внутрь корпуса, что средняя часть корпуса, прилегающая к прорезям подвергнется текучей деформации, а части корпуса, прилегающие к окончаниям, 6 не подвергнутся. Достигнутое в этом случае удлинение средней части корпуса, необходимое для изменения резонансной частоты, произойдет за счет той его части, которая не нагружена и, следовательно, не влияет на ресурс излучателя и устойчивость его к внешнему и внутреннему давлению.

Таким образом, предложенный низкочастотный продольно - изгибный излучатель дает возможность обеспечить большие по сравнению с прототипом ресурс и надежность после коррекции резонансной частоты.

Изготовление излучателя производится с использованием метода аддитивной электродуговой наплавки с регулированием физико-механических характеристик материала по сечениям детали, исходя из эксплуатационных свойств изделия.

Claims (1)

1. Низкочастотный продольно–изгибный пьезокерамический преобразователь, содержащий армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезоэлектрических шайб, корпус, имеющий переменную по высоте толщину бочкообразной боковой стенки, увеличивающуюся к середине высоты преобразователя, на которой выполнены аксиальные профильные прорези, заклеенные эластичным материалом таким образом, что каждая эластичная вкладка в продольном сечении выполнена повторяющей геометрическую форму аксиальной профильной прорези, а в поперечном сечении имеет арочную форму, скругленная часть которой направлена к внешней поверхности бочкообразной боковой стенки корпуса, а нескругленные части приклеены внешними сторонами к боковым поверхностям аксиальной профильной прорези, причем склейка занимает всю площадь боковой поверхности, отличающийся тем, что часть корпуса, находящаяся в районе окончания аксиальных профильных прорезей от 10 до 20% длины прорези с обеих сторон, выполнена из материала, предел текучести которого превышает предел текучести материала корпуса, что обеспечивается технологией аддитивного электродугового выращивания различными по своим физико-механическим характеристикам материалами.