Направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач

Реферат: Направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач містить циліндричну герметизовану п'єзокерамічну оболонку, яка має внутрішню порожнину циліндричного типу відносно її поздовжньої осі, та акустичний екран, при цьому внутрішню порожнину зазначеної циліндричної герметизованої п'єзокерамічної оболонки заповнено рідиною. Акустичний екран виконано у вигляді циліндричного тіла, при цьому акустичний екран розміщено у внутрішній порожнині герметизованої п'єзокерамічної оболонки, причому зазначений акустичний екран виконано за висотою не менше висоти герметизованої п'єзокерамічної оболонки, акустичний екран виконано із зовнішнім діаметром D екр в межах від 0,2 до 0,9 внутрішнього діаметра Dв н циліндричної герметизованої п'єзокерамічної оболонки. UA 99634 U (12) UA 99634 U UA 99634 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі морського озброєння, зокрема до гідроакустики, і може бути використана, наприклад, в корабельних та гелікоптерних гідроакустичних станціях. Найбільш близьким технічним рішенням як за суттю, так і за задачею, що вирішується, яке вибрано за найближчий аналог (прототип), є циліндричний гідроакустичний перетворювач, що містить циліндричну герметизовану п'єзокерамічну оболонку, яка має внутрішню порожнину циліндричного типу відносно поздовжньої осі зазначеної герметизованої п'єзокерамічної оболонки, заповнену рідиною та акустичний екран циліндричної форми конечної товщини, який охоплює частину випромінюючої поверхні циліндричної п'єзокерамічної оболонки [1]. До недоліків відомого циліндричного гідроакустичного перетворювача належать: - по-перше, акустичний екран для виконання функції екранування повинен мати певні розміри, особливо товщину, тим більші, чим нижча робоча частота гідроакустичного перетворювача. Природно, що це збільшує габаритні розміри циліндричного гідроакустичного перетворювача, а при побудові з них гідроакустичних антен змушує шукати нестандартні схеми розміщення гідроакустичних перетворювачів в них, наприклад типу "шахового" розміщення для того, щоб відстань між центрами гідроакустичних перетворювачів в антені не перевищувала половину довжини хвилі на робочій частоті [2]. - по-друге, акустичний екран м'якого типу звичайно реалізується у вигляді гум, закриті пори в яких заповнені повітрям, а акустичні властивості зберігаються до певної величини гідростатичного тиску (гума 10087 - до 100 м, гума 51-1515 - до 250 м). Тому відомий циліндричний гідроакустичний перетворювач не може бути використаний при створенні глибоководних (більше 300-500 м) гідроакустичних антен. В основу корисної моделі поставлено задачу шляхом введення у внутрішню порожнину герметизованої п'єзокерамічної оболонки циліндричного гідроакустичного перетворювача акустичного екрана, який виконано у вигляді циліндричного тіла, яке має висоту, не менше висоти герметизованої п'єзокерамічної оболонки, зовнішній діаметр Dекр в межах від 0,2 до 0,9 діаметра внутрішньої порожнини герметизованої п'єзокерамічної оболонки Dвн, поздовжню вісь, що паралельна поздовжній осі герметизованої п'єзокерамічної оболонки і віднесена від неї на D  Dекр D  Dекр відстань l, яка знаходиться в межах від 0,1 в н до 0,8 в н та виконання бокової 2 2 поверхні циліндричного тіла за своїми акустичними характеристиками близькою або до м'якої, або до жорсткої, забезпечити можливість формування направленості циліндричного гідроакустичного перетворювача без зміни його габаритних розмірів. Суть технічного рішення в направленому циліндричному гідроакустичному перетворювачі, що містить циліндричну герметизовану п'єзокерамічну оболонку, яка має внутрішню порожнину циліндричного типу відносно поздовжньої осі та акустичний екран, при цьому внутрішню порожнину зазначеної циліндричної герметизованої п'єзокерамічної оболонки заповнено рідиною, полягає в тому, що акустичний екран виконано у вигляді циліндричного тіла, при цьому акустичний екран розміщено у внутрішній порожнині герметизованої п'єзокерамічної оболонки, причому зазначений акустичний екран виконано за висотою не менше висоти герметизованої п'єзокерамічної оболонки, акустичний екран виконано із зовнішнім діаметром Dекр в межах від 0,2 до 0,9 внутрішнього діаметра Dвн циліндричної герметизованої п'єзокерамічної оболонки. Суть корисної моделі полягає і в тому, що поздовжню вісь акустичного екрана розміщено паралельно поздовжній осі циліндричної герметизованої п'єзокерамічної оболонки та віднесено D  Dекр D  Dекр від неї на відстаньl, яка знаходиться в межах від 0,1 в н до 0,8 в н . Суть корисної 2 2 моделі полягає також і в тому, що бокову поверхню циліндричного тіла виконано за своїми акустичними характеристиками або близькою до м'якої, або близькою до жорсткої. Рішення технічної задачі у направленому циліндричному гідроакустичному перетворювачі, що заявляється, дійсно можливе тому, що шляхом виконання акустичного екрана циліндричної форми та розміщення у внутрішній порожнині його таким чином, що вісь акустичного екрана паралельна поздовжній осі циліндричної герметизованої п'єзокерамічної оболонки та віднесена від неї на відстань l, отримують несиметричність конструкції, що забезпечує формування направленості циліндричного гідроакустичного перетворювача (на відміну від відомого циліндричного гідроакустичного перетворювача, при якому несиметричність конструкції створюється за рахунок розміщення поряд з циліндричною п'єзокерамічною оболонкою зовнішнього акустичного екрана). Це дозволяє: уникнути необхідності виготовлення направленого циліндричного гідроакустичного перетворювача з розмірами більшими, ніж розміри його герметизованої п'єзокерамічної оболонки, що суттєво спрощує побудову конструкцій гідроакустичних антен з таких перетворювачів; практично реалізувати можливість побудови глибоководних направлених 1 UA 99634 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 циліндричних гідроакустичних перетворювачів та гідроакустичних антен на їх основі для будьякої робочої глибини, причому акустичний екран може бути як жорстким, так і м'яким, оскільки заповнення внутрішньої порожнини герметизованої п'єзокерамічної оболонки нестисливою рідиною, в якій розміщується акустичний екран, усуває ризик деформації герметизованої п'єзокерамічної оболонки під дією зовнішнього гідростатичного тиску води. Таким чином, направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач, що заявляється, відповідає критерію корисної моделі "новизна". Суть корисної моделі пояснюється за допомогою креслень, де на фіг. 1 показано направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач, що заявляється, у двох проекціях схеми побудови, на фіг. 2 показано характеристику направленості направленого циліндричного гідроакустичного перетворювача з жорстким акустичним екраном на частоті f=0,78 f0 (крива К1) і м'яким акустичним екраном на більш низькій частоті f=0,37 f0 (крива К2), де f0 - власна резонансна частота герметизованої п'єзокерамічної оболонки направленого циліндричного гідроакустичного перетворювача. Направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач 1 містить (як варіант конструктивного виконання - див. схему на фіг. 1) герметизовану (наприклад, компаундом) п'єзокерамічну оболонку 2 з внутрішнім діаметром Dвн. Її внутрішня порожнина заповнена рідиною 3 (наприклад, діелектричне мастило). Конструктивно та технологічно вісесиметричний акустичний екран, який виконано у вигляді циліндричного тіла 4 з зовнішнім діаметром Dекр, вбудовано у внутрішню порожнину герметизованої п'єзокерамічної оболонки 2 направленого циліндричного гідроакустичного перетворювача 1 - див. схему на фіг. 1. Циліндричне тіло 4 має: - висоту hекр, не менше висоти hоб герметизованої п'єзокерамічної оболонки 2; - зовнішній діаметр Dекр, величина якого може знаходитись в межах від 0,2 Dвн до 0,9 Dвн; - бокову поверхню, яка за своїми акустичними характеристиками виконана близькою або до м'якої, або до жорсткої (як варіанти конструктивного виконання). Відстань l, між вісесиметричними віссю 5 герметизованої п'єзокерамічної оболонки 2 та D  Dекр D  Dекр віссю 6 циліндричного тіла 4 може знаходитись в межах від 0,1 в н до 0,8 в н . 2 2 Направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач 1 працює наступним чином. При електричному збудженні герметизованої п'єзокерамічної оболонки 2 вона починає здійснювати поздовжні коливання уздовж свого середнього кола. Коливання герметизованої п'єзокерамічної оболонки 2 випромінюються у зовнішнє та внутрішнє середовища оболонки. Якщо б циліндричний гідроакустичний перетворювач 1 мав радіальну симетрію, то в оточуючих середовищах збуджувалась би нульова (n=0) мода коливань і циліндричний гідроакустичний перетворювач 1 формував би характеристику направленості у вигляді кола, тобто був би ненаправленим в нормальному перерізі. Для системи з порушеною симетрією крім моди з номером n=0, пульсуючої в оточуючих середовищах, збуджуються ще перша (n=1) та третя (n=3) моди коливань. Фізичною причиною їх появи є перерозподіл енергії, яка "закачується" в циліндричний гідроакустичний перетворювач 1на нульовій (n=0) моді коливань, між першою (n=1) та третьою (n=3) модами. Амплітуди мод з номерами n=0 і n=1 близькі між собою по величині, а мода з номером n=3 має на порядок меншу амплітуду. Мода з номером n=1 (осцилююча) утворюється завдяки переміщенню циліндричного гідроакустичного перетворювача 1 як єдиного цілого в площині, що утворена поздовжніми осями герметизованої п'єзокерамічної оболонки 2 та циліндричного тіла 4. В зовнішньому просторі осцилююча мода коливань циліндричного гідроакустичного перетворювача 1 формує характеристику направленості в нормальному перерізі циліндричного гідроакустичного перетворювача 1 типу "вісімки", максимальні амплітуди якої однакові і розміщені на лінії l, що з'єднує центри перерізаних поздовжніх осей герметизованої п'єзокерамічної оболонки 2 та циліндричного тіла 4 нормальним перерізом циліндричного гідроакустичного перетворювача 1, а фази половин "вісімки" протилежні. Суперпозиція двох звукових полів, що утворюються циліндричним гідроакустичним перетворювачем 1 на пульсуючій (n=0) і осцилюючій (n=1) модах коливань, завдяки близьким амплітудам і однаковим фазам в одній половині "вісімки" та протилежним для n=0 і n=1 фазам у другій половині "вісімки", обумовлює складання полів в тій половині "вісімки", де фази однакові, і їх віднімання в тій половині "вісімки", де фази протилежні. Завдяки цьому формується направленість циліндричного гідроакустичного перетворювача 1 з максимальним і мінімальним значеннями, що лежать в площині поздовжніх осей герметизованої п'єзокерамічної оболонки 2 та циліндричного тіла 4 по різні сторони циліндричного гідроакустичного перетворювача 1. При цьому менші значення характеристики направленості циліндричного гідроакустичного 2 UA 99634 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 перетворювача 1 утворюються в тому півпросторі, який прилягає до циліндричного гідроакустичного перетворювача 1 з тієї його сторони, в напрямі якої зміщено циліндричне тіло 4 у внутрішній порожнині герметизованої п'єзокерамічної оболонки 2. Для перевірки формування направленості направленого циліндричного гідроакустичного перетворювача 1, що заявляється, було виконано математичне моделювання для таких вихідних даних: - герметизована п'єзокерамічна оболонка з внутрішнім діаметром Dвн=0,15 м, товщиною h=0,012 м; 3 3 - матеріал оболонки - п'єзокераміка ЦТБС-3 з параметрами: густина ρк=7,210 кг/м , 3 2 -10 швидкість звуку ск=3,410 м/с, планарний коефіцієнт кр =0,34, п'єзомодуль d21=-1,610 Кл/Н; 3 3 - зовнішнє та внутрішнє середовища однакові і мають характеристики: густина ρв=10 кг/м , швидкість звуку св=1500 м/с; - співвідношення: Dтіла  2 ; 2l  1 ; f  0,78 (тіло з жорсткою поверхнею); f  0,37 Dв н 3 Dв н 4 f0 f0 (тіло з м'якою поверхнею). Результати моделювання приведенні на фіг. 2. Їх аналіз свідчить про те, що характеристика направленості направленого циліндричного гідроакустичного перетворювача, є односторонньою. Таким чином, направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач, що заявляється, дозволяє покращити тактико-технічні характеристики корабельних та гелікоптерних гідроакустичних станцій, а саме: - перетворення ненаправленого циліндричного гідроакустичного перетворювача в направлений; - створення високого рівня направленості навіть на суттєво низьких, відносно власної резонансної частоти п'єзокерамічної оболонки циліндричного гідроакустичного перетворювача, частотах; - збереження незмінними габаритних розмірів циліндричного гідроакустичного перетворювача, надання йому при цьому направлених властивостей; - можливість використання направлених циліндричних гідроакустичних перетворювачів при створенні глибоководних (більше 300-500 м) гідроакустичних антен. Підвищення ефективності застосування направленого циліндричного гідроакустичного перетворювача, що заявляється, у порівнянні з прототипом досягається шляхом виконання акустичного екрана циліндричної форми та розміщення у внутрішній порожнині його таким чином, що вісь акустичного екрана паралельна поздовжній осі циліндричної герметизованої п'єзокерамічної оболонки та віднесена від неї на відстань l, завдяки чому отримують несиметричність конструкції, що забезпечує формування направленості циліндричного гідроакустичного перетворювача. Джерела інформації: 1. Дідковський B.C., Порошин С.М., Лейко О.Г., Лейко А.О., Дрозденко О.І. Конструювання електроакустичних приладів і систем для мультимедійних акустичних технологій / B.C. Дідковський, С.М. Порошин, О.Г. Лейко, А.О. Лейко, О.І. Дрозденко // Харків.: вид. ФПП Амельянчик. - 2013. - 390 с. аналог. 2. Лейко А.Г. Подводные акустические антенны. Методы расчета звуковых полей / А.Г. Лейко, Ю.Е. Шамарин, В.П. Ткаченко. - К.:, 2000. - 320 с. прототип. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач, що містить циліндричну герметизовану п'єзокерамічну оболонку, яка має внутрішню порожнину циліндричного типу відносно її поздовжньої осі, та акустичний екран, при цьому внутрішню порожнину зазначеної циліндричної герметизованої п'єзокерамічної оболонки заповнено рідиною, який відрізняється тим, що акустичний екран виконано у вигляді циліндричного тіла, при цьому акустичний екран розміщено у внутрішній порожнині герметизованої п'єзокерамічної оболонки, причому зазначений акустичний екран виконано за висотою не менше висоти герметизованої п'єзокерамічної оболонки, акустичний екран виконано із зовнішнім діаметром D екр в межах від 0,2 до 0,9 внутрішнього діаметра Dв н циліндричної герметизованої п'єзокерамічної оболонки. 2. Направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що поздовжню вісь акустичного екрана розміщено паралельно поздовжній осі циліндричної 3 UA 99634 U 5 герметизованої п'єзокерамічної оболонки та віднесено від неї на відстань l , яка знаходиться в Dв н  Dекр Dв н  Dекр межах від 0,1 до 0,8 . 2 2 3. Направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що бокову поверхню акустичного екрана виконано за своїми акустичними характеристиками близькою до м'якої. 4. Направлений циліндричний гідроакустичний перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що бокову поверхню акустичного екрана виконано за своїми акустичними характеристиками близькою до жорсткої. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4