RU81104U1

RU81104U1 - LOW FREQUENCY LONG-BENDING HYDROACOUSTIC PIEZOCERAMIC CONVERTER

Info

Publication number: RU81104U1
Application number: RU2008142503/22U
Authority: RU
Inventors: Михаил Яковлевич Андреев; Виктор Васильевич Артельный; Борис Николаевич Боголюбов; Виталий Викторович Клюшин; Игорь Лазаревич Рубанов
Original assignee: ОАО "Концерн "Океанприбор"
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2009-03-10

Abstract

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована в качестве излучателя в антеннах радиогидроакустических буев и в гибких протяженных буксируемых излучающих антеннах. Предложен низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь, содержащий армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических 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. В этом преобразователе образующие внутренней и внешней поверхностей корпуса бочкообразной формы являются параболами. Предложенная форма корпуса позволяет снизить зависимость резонансной частоты преобразователя от гидростатического давления.The utility model relates to the field of hydroacoustics and can be used as a radiator in the antennas of sonar buoys and in flexible long towed emitting antennas. A low-frequency longitudinal-bending hydroacoustic piezoceramic transducer is proposed, containing a reinforced rod active element consisting of piezoelectric ceramic washers polarized in thickness, a barrel-shaped body, with axial profile slots on the side surface, with a maximum diameter at the ends, minimum at the middle of the height, and variable in height wall thickness decreasing toward the center; end caps and sealing coating. In this transducer, the generators of the inner and outer surfaces of the barrel-shaped body are parabolas. The proposed form of the housing allows to reduce the dependence of the resonant frequency of the transducer on hydrostatic pressure.

Description

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована в качестве излучателя в антеннах радиогидроакустических буев и в гибких протяженных буксируемых излучающих антеннах.The utility model relates to the field of hydroacoustics and can be used as a radiator in the antennas of sonar buoys and in flexible long towed emitting antennas.

Известны низкочастотные изгибно-продольные гидроакустические пьезокерамические преобразователи-излучатели, содержащие активный стержневой элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус бочкообразной формы, имеющий максимальный диаметр на торцах, а минимальный на половине высоты, торцевые крышки и герметизирующее покрытие [1, 2].Known low-frequency bending-longitudinal hydroacoustic piezoelectric transducers-emitters containing an active rod element consisting of piezoelectric ceramic washers polarized in thickness, a barrel-shaped housing having a maximum diameter at the ends and a minimum at half height, end caps and a sealing coating [1, 2] .

Излучение известных продольно-изгибных преобразователей производится за счет изгибных колебаний корпуса, возбуждаемого продольными колебаниями активного элемента.Radiation of known longitudinal bending converters is carried out due to bending vibrations of the housing excited by longitudinal vibrations of the active element.

Недостатком известных низкочастотных продольно-изгибных гидроакустических пьезокерамических преобразователей является низкая надежность (малая наработка на отказ).A disadvantage of the known low-frequency longitudinally-bending hydroacoustic piezoceramic transducers is their low reliability (low MTBF).

Недостаток известных продольно-изгибных низкочастотных гидроакустических пьезокерамических преобразователей объясняется значительными динамическими и статическими напряжениями в ряде точек корпуса [3].The disadvantage of the known longitudinally bending low-frequency sonar piezoceramic transducers is due to significant dynamic and static stresses at a number of points in the housing [3].

От указанного выше недостатка свободен известный продольно-изгибный низкочастотный гидроакустический пьезокерамический преобразователь [3], содержащий активный стержневой элемент, армированный стяжкой, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, корпус бочкообразной формы, в котором проделаны профильные аксиальные прорези, имеющий максимальный диаметр на торцах, а минимальный - на половине высоты, и переменную по высоте толщину стенки, уменьшающуюся к центру, обеспеченную тем, что ее внешняя и внутренняя поверхности представляют собой дуги окружностей различных радиусов, торцевые крышки и герметизирующее покрытие.The above-known drawback is free of the known longitudinally-bending low-frequency hydroacoustic piezoelectric transducer [3], containing an active rod element reinforced with a coupler, consisting of piezoelectric ceramic washers polarized in thickness, a barrel-shaped body in which axial profile slots are made, having a maximum diameter at the ends, and the minimum - at half height, and a wall thickness that is variable in height, decreasing toward the center, provided that its outer and inner surface and are arcs of circles of different radii, the end caps and the sealing coating.

Переменная по высоте корпуса толщина его стенки увеличивает надежность известного гидроакустического преобразователя вследствие уменьшения механических напряжений в его корпусе [3].Variable height of the housing, the thickness of its wall increases the reliability of the known sonar transducer due to the reduction of mechanical stresses in its housing [3].

Известный преобразователь наиболее близок к предлагаемому по количеству общих признаков и вследствие этого выбран за прототип.The known Converter is closest to the proposed by the number of common features and, therefore, is selected as a prototype.

Недостатком известного низкочастотного продольно-изгибного гидроакустического пьезокерамического преобразователя является зависимость его резонансной частоты от внешнего гидростатического давления (глубины погружения).A disadvantage of the known low-frequency longitudinal-bending hydroacoustic piezoceramic transducer is the dependence of its resonant frequency on the external hydrostatic pressure (immersion depth).

Указанный недостаток объясняется тем, что под действием гидростатического давления уменьшается радиус кривизны корпуса и вследствие этого, повышается резонансная частота колебательной системы активный элемент-корпус [3].This disadvantage is explained by the fact that under the influence of hydrostatic pressure the radius of curvature of the housing decreases and, as a result, the resonant frequency of the vibrating system of the active element-housing increases [3].

Техническим результатом полезной модели является уменьшение зависимости резонансной частоты низкочастотного продольно-изгибного гидроакустического пьезокерамического преобразователя от гидростатического давления.The technical result of the utility model is to reduce the dependence of the resonant frequency of the low-frequency longitudinally bending sonar piezoceramic transducer on hydrostatic pressure.

Для обеспечения указанного технического результата в известном низкочастотном продольно-изгибном гидроакустическом пьезокерамическом преобразователе, содержащем армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических 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, введен новый признак, а именно: образующие внутренней и внешней поверхностей корпуса бочкообразной формы являются параболами.To ensure the specified technical result in the known low-frequency longitudinal-bending hydroacoustic piezoelectric transducer containing a reinforced rod active element, consisting of piezoelectric ceramic washers polarized in thickness, barrel-shaped body, with axial profile slots on the side surface, with a maximum diameter at the ends, minimum in the middle height, and wall thickness, variable in height, decreasing toward the center; end caps and sealing coating, introduced a new feature, namely: the generators of the inner and outer surfaces of the barrel-shaped body are parabolas.

Наилучший результат достигается в случае, если радиус кривизны внешней и внутренней стенок корпуса определены, соответственно, соотношениямиThe best result is achieved if the radius of curvature of the outer and inner walls of the housing are determined, respectively, by the relations

где (у, х) мм - координаты точки в системе координат с центром в точке, находящейся на внешней поверхности цилиндрического корпуса посредине его высоты.where (y, x) mm are the coordinates of the point in the coordinate system with the center at the point located on the outer surface of the cylindrical body in the middle of its height.

Для удобства встраивания заявленного преобразователя в гибкую протяженную буксируемую антенну армирование активного стержневого элемента может быть выполнено For the convenience of embedding the claimed Converter in a flexible long towed antenna, the reinforcement of the active rod element can be performed

с помощью торцевых крышек в виде гаек, в которых могут быть проделаны отверстия для прохождения транзитных проводов.using end caps in the form of nuts, in which holes can be made for the passage of transit wires.

Форма образующих в виде парабол, как имеющая наименьшее изменение радиуса кривизны при действии гидростатического давления, была подобрана расчетным путем. Поскольку резонансная частота продольно-изгибного преобразователя определяется формой бочкообразного корпуса, минимизация изменений радиуса кривизны образующих корпуса под давлением приводит к минимизации изменения резонансной частоты преобразователя от давления.The shape of the generators in the form of parabolas, as having the smallest change in the radius of curvature under the action of hydrostatic pressure, was selected by calculation. Since the resonant frequency of the longitudinal-bending transducer is determined by the shape of the barrel-shaped body, minimizing changes in the radius of curvature of the body forming under pressure leads to minimizing changes in the resonant frequency of the transducer from pressure.

Сущность полезной модели поясняется Фиг.1 и Фиг.2, на которых соответственно приведены внешний вид преобразователя и его корпуса.The essence of the utility model is illustrated in figure 1 and figure 2, which respectively show the appearance of the Converter and its housing.

На Фиг.1 представлен низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь для гибкой протяженной буксируемой антенны. Он содержит цилиндрический активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб 1, имеющих отверстия по центру, и корпус 2, выполненный в форме бочки, образующие внешней и внутренней стенок которой имеют форму парабол, радиусы кривизны которых определяются выражением (1). Торцевые крышки 3, выполнены в виде гаек, герметизирующее покрытие 4, например, из резиновой трубки 36×2 НО-68-1 НТА-ТУ 38.105.1959-90 (Фиг.1). Крышки активного элемента имеют центральные отверстия для пропуска транзитных проводов, которые проходят во внутренней полости активного элемента. Торцевые крышки 3 являются армирующим элементом.Figure 1 presents the low-frequency longitudinal-bending sonar piezoceramic transducer for a flexible long towed antenna. It contains a cylindrical active element, consisting of piezoelectric ceramic washers 1 polarized in thickness, having openings in the center, and a casing 2 made in the form of a barrel, the outer and inner walls of which have the shape of parabolas, the radii of curvature of which are determined by expression (1). End caps 3, made in the form of nuts, a sealing coating 4, for example, from a rubber tube 36 × 2 НО-68-1 НТА-ТУ 38.105.1959-90 (Figure 1). The covers of the active element have central openings for passing transit wires that extend in the inner cavity of the active element. End caps 3 are a reinforcing element.

Ширина прорезей 5 (Фиг.2) выбирается из условия непроникновения герметизирующей резины в прорези при максимальном рабочем гидростатическом давлении. Такой преобразователь встраивается в шланг, заполненный электроизоляционным материалом.The width of the slots 5 (Figure 2) is selected from the condition of non-penetration of the sealing rubber in the slot at the maximum working hydrostatic pressure. Such a converter is built into a hose filled with electrical insulation material.

Если заявленный преобразователь не имеет общего контура герметизации в антенне и работает как самостоятельный герметичный излучатель, торцевые крышки 3 выполняются сплошными.If the claimed Converter does not have a common sealing circuit in the antenna and works as a separate sealed emitter, the end caps 3 are solid.

Предложенный низкочастотный продольно-изгибный гидроакустический пьезокерамический преобразователь работает следующим образом. При подаче на активный элемент, состоящий из заполяризованных по толщине пьезокерамических шайб, возбуждающего электрического напряжения вследствие обратного пьезоэффекта система активный элемент-корпус начинает механические колебания, возбуждая упругие колебания в воде.The proposed low-frequency longitudinal-bending hydroacoustic piezoceramic transducer operates as follows. When applying to an active element consisting of piezoelectric ceramic washers polarized across the thickness, exciting electric voltage due to the inverse piezoelectric effect, the active element-casing system starts mechanical vibrations, exciting elastic vibrations in water.

Испытания, проведенные нами в заглушенном при помощи деревянных клиньев баке высокого давления, показали что в диапазоне изменения давления 0-2,0 МПа (что соответствует изменению глубины 0-200 м) изменение резонансной частоты составляет 0,35 Гц/м, в то время как у устройства-прототипа более 1 Гц/м [3].The tests we carried out in a pressure tank damped with wooden wedges showed that in the range of pressure changes of 0-2.0 MPa (which corresponds to a change in depth of 0-200 m), the change in the resonant frequency is 0.35 Hz / m, while as a prototype device more than 1 Hz / m [3].

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает достижение заявленного результата.Thus, the proposed device ensures the achievement of the claimed result.

Источники информации:Information sources:

1. Патент US 49224701. Patent US 4922470

2. Патент US 51365562. Patent US 5136556

3. Quer R., Dasseux Ch. Increasing depth capability of ″Diabolo″ flextensional transducer for active linears arrays. // Proceedings of the Institute of Acoustics. 1999, v.21, Pt.1, pp.117-121.3. Quer R., Dasseux Ch. Increasing depth capability of ″ Diabolo ″ flextensional transducer for active linears arrays. // Proceedings of the Institute of Acoustics. 1999, v.21, Pt. 1, pp. 117-121.

Claims

1. A low-frequency longitudinal-bending hydroacoustic piezoceramic transducer comprising a reinforced rod active element consisting of piezoelectric ceramic washers polarized in thickness, a barrel-shaped body with axial profile slots on the side surface, having a maximum diameter at the ends, minimum at the middle of the height, and variable in height wall thickness decreasing towards the center, end caps and a sealing coating, characterized in that forming an inner and outer surface and a barrel shaped body are parabolas with smaller and larger radii of curvature, respectively.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the radii of curvature of the outer and inner walls of the housing are determined by the ratios:

,

where (y, x) mm are the coordinates of the point in the coordinate system with the center at the point located on the outer side surface of the barrel-shaped body in the middle of its height.

2. The Converter according to claim 1, in which the end caps are made in the form of nuts reinforcing the core active element.

3. The Converter according to claim 2, in which along the axis of the active piezoelectric element in the end roofs are made holes for the passage of transit wires.