RU2568073C2

RU2568073C2 - Hydroacoustic transducer

Info

Publication number: RU2568073C2
Application number: RU2013159118/28A
Authority: RU
Inventors: Иосиф Иосифович Стырикович; Анна Витальевна Иванова; Юрий Брониславович Шавель
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2015-11-10
Also published as: RU2013159118A

Abstract

FIELD: physics, acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to hydroacoustics, particularly, to compact rod-like reinforced piezoelectric transducers to be operated with multielement antennas of hydroacoustic transceiving systems, for example, for sea underwater weapons. Claimed device comprises rod-like unit of piezoelectric elements, rear and face straps, bearing bulky fastening support element connected with the latter. Note here that face strap is connected by rod element extending with clearance inside rear strap cylindrical part. Said rear strap is connected by resilient spring conical circular element. Viscoelastic elements of acoustically soft materials are fitted in clearances above and below said resilient spring conical circular element.

EFFECT: efficient radiation, reduced effects of hydrostatic pressure at piezoelectric unit of elements and sensitivity to vibrations in reception mode.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструкциям малогабаритных стержневых армированных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы в составе многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем, например, для морского подводного оружия.The invention relates to the field of hydroacoustics, and in particular to designs of small-sized rod-reinforced piezoceramic transducers designed to operate as part of multi-element antennas of hydroacoustic receiving-emitting systems, for example, for marine underwater weapons.

Пьезокерамические преобразователи стержневого типа получили широкое распространение как наиболее способные обеспечить высокую эффективность в режимах излучения и приема в газонаполненном варианте конструкций антенн при воздействии высокого гидростатического давления.The rod-type piezoceramic transducers are widely used as the most capable of providing high efficiency in the radiation and reception modes in gas-filled versions of antenna designs when exposed to high hydrostatic pressure.

Известны конструкции гидроакустических стержневых преобразователей Ланжевеновского типа (tonpilz) с двумя накладками, которые имеют один достаточно широкополосный резонанс за счет использования коэффициента механической трансформации, определяемого отношением площади передней, контактирующей с водной нагрузкой, накладки к площади пьезокерамического элемента, а также выбора материала передней накладки из более легкого металла (например, алюминий).Known designs of sonic rod transducers of the Langevin type (tonpilz) with two plates, which have one sufficiently broadband resonance due to the use of a mechanical transformation coefficient determined by the ratio of the front area in contact with the water load, the plate to the area of the piezoceramic element, as well as the choice of material of the front plate from lighter metal (e.g. aluminum).

В зависимости от способа закрепления колебательной системы преобразователя в газонаполненной конструкции антенного устройства и соответственно передачи воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок, различают три основных варианта конструкции стержневых преобразователей: силовую, разгруженную и с частичной разгрузкой (см. Стырикович И.И. Преобразователь стержневой виброустойчивый. // VII международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 8-10 июня 2004, Санкт-Петербург, Труды конференции, с. 186-188.).Depending on the method of fixing the oscillatory system of the transducer in the gas-filled design of the antenna device and, accordingly, the transmission of the hydrostatic pressure to the piezoceramic block, there are three main design options for rod transducers: power, unloaded and with partial unloading (see Styrikovich I.I. // VII international conference "Applied technologies of hydroacoustics and hydrophysics", June 8-10, 2004, St. Petersburg, Conference proceedings, p. 186-188.).

Известна конструкция преобразователя многоэлементной антенны (см. патент США №3284761), в которой передняя накладка связана с силовой платой посредством достаточно жесткого с большим поперечным сечением стержня, и для создания предварительного статического сжатия в пьезокерамическом блоке используется упругий элемент в виде тарельчатой пружины, прижатой армирующей резьбовой гайкой. Для предотвращения передачи механических колебаний на корпус антенны в режиме излучения, а также для развязки от корпусной вибрации в режиме приема, колебательную систему преобразователя крепят к силовой плате посредством дополнительных звукоизолирующих элементов (прокладок). Такой способ крепления имеет ограничения по гидростатическому давлению - не более 3 МПа, и кроме того, в области ниже основного резонанса, где обычно выставляются достаточно жесткие требования к неравномерности частотной характеристики, будет иметь место дополнительный резонанс, что также нежелательно.A known design of a multi-element antenna converter (see US patent No. 3284761), in which the front plate is connected to the power board by means of a sufficiently rigid rod with a large cross section, and an elastic element in the form of a disk spring pressed by a reinforcing rod is used to create preliminary static compression in the piezoceramic block threaded nut. To prevent the transmission of mechanical vibrations to the antenna body in the radiation mode, as well as for decoupling from the body vibration in the receive mode, the oscillatory system of the converter is attached to the power board by means of additional soundproofing elements (gaskets). This fastening method has limitations on hydrostatic pressure - no more than 3 MPa, and in addition, in the region below the main resonance, where fairly stringent requirements for uneven frequency response are usually set, additional resonance will occur, which is also undesirable.

Для сочетания в большой степени взаимоисключающих требований: высоких уровней излучения и кпд и одновременного обеспечения пониженной чувствительности к вибрациям, при воздействии высокого гидростатического давления до 10 МПа необходима предельная оптимизация технических решений. При построении сложных колебательных систем стержневых армированных преобразователей одновременное достижение поставленных целей возможно путем использования металлических элементов развязки в конструкциях либо с узловым креплением, либо с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов. Для конструкций преобразователей высокочастотного диапазона, а также преобразователей с малым коэффициентом механической трансформации площадей передней накладки и пьезокерамического блока элементов, в связи с ограничениями по габаритам, совмещение элементов армирования, крепления и развязки в одном узле, по схеме с узловым креплением, с использованием опорного фланца, расположенного в узловом сечении армирующей шпильки, невозможно. В этом случае может быть реализован вариант с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов, который является прототипом предлагаемого изобретения (см. Стырикович И.И. Преобразователь стержневой виброустойчивый. // VII международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 8-10 июня 2004, Санкт-Петербург, Труды конференции, с.186-188.).To combine to a large extent mutually exclusive requirements: high levels of radiation and efficiency and at the same time provide reduced sensitivity to vibrations, when exposed to high hydrostatic pressure up to 10 MPa, extreme optimization of technical solutions is necessary. When constructing complex oscillatory systems of rod-reinforced transducers, the simultaneous achievement of goals is possible by using metal decoupling elements in structures with either nodal fastening or with fastening of both ends of the core block of active piezoceramic elements. For the designs of high-frequency converters, as well as converters with a low coefficient of mechanical transformation of the areas of the front cover and the piezoceramic block of elements, due to size limitations, the combination of reinforcement, fastening and decoupling elements in one node, according to the scheme with nodal fastening, using a support flange located in the nodal section of the reinforcing stud is impossible. In this case, a variant can be implemented with fastening on both ends of the core block of active piezoceramic elements, which is the prototype of the invention (see II Styrykovich, Vibration-proof rod transducer. // VII international conference “Applied technologies of hydroacoustic and hydrophysics”, 8- June 10, 2004, St. Petersburg, Proceedings of the conference, p.186-188.).

Конструктивный узел элементов силового армирования, акустической развязки и крепления в этом варианте выполняется по схеме одновременного соединения (посадки) обеих накладок с массивным опорным элементом путем введения отдельного упругого элемента типа тарельчатой пружины, через который тыльная накладка соединяется с массивным опорным элементом. Передняя накладка соединена с последним напрямую посредством стержневого элемента армирования, проходящего с зазором внутри цилиндрической части тыльной накладки. При этом воздействие корпусной вибрации может быть минимизировано путем определенного выбора отношения механических гибкостей упругих элементов узла армирования, контактирующих с обеими накладками, к соответствующему отношению масс этих накладок. Так, при выборе элементов конструкции преобразователя из условия пропорциональности отношения механических гибкостей упругих элементов узла армирования отношению масс накладок одновременно с уменьшением передачи колебаний на корпус антенны в режиме излучения снижается и чувствительность к вибрации корпуса в режиме приема. Этот вариант построения колебательной системы преобразователя с креплением за оба торца стержневого блока активных пьезокерамических элементов по совокупности признаков, и может служить прототипом.The structural unit of the elements of power reinforcement, acoustic isolation and fastening in this embodiment is carried out according to the scheme of simultaneous connection (landing) of both plates with a massive supporting element by introducing a separate elastic element such as a Belleville spring, through which the back plate is connected to the massive supporting element. The front plate is connected to the latter directly through the reinforcing bar element, which extends with a gap inside the cylindrical part of the rear plate. In this case, the effect of case vibration can be minimized by a certain choice of the ratio of mechanical flexibility of the elastic elements of the reinforcement unit in contact with both plates to the corresponding mass ratio of these plates. So, when choosing the design elements of the converter from the condition of proportionality of the relationship of mechanical flexibility of the elastic elements of the reinforcement unit to the mass of the plates, while the transmission of vibrations to the antenna body is reduced in the radiation mode, the sensitivity to vibration of the housing in the reception mode is reduced. This version of the construction of the oscillatory system of the transducer with fastening for both ends of the core block of active piezoceramic elements according to the totality of features, and can serve as a prototype.

При колебаниях такого преобразователя на низких частотах (вне резонанса), возникающих вследствие корпусной вибрации, заряды, образующиеся на симметричных относительно узлового сечения половинах стержневого блока активных пьезокерамических элементов, должны быть равны по значению и противоположны по знаку.When such a converter oscillates at low frequencies (outside the resonance) arising due to case vibration, the charges generated on the halves of the core block of active piezoceramic elements symmetrical with respect to the nodal section should be equal in value and opposite in sign.

Однако в реальных условиях, в случае односторонне нагруженной конструкции преобразователя, работающего в режиме резонансных колебаний, имеет место существенная асимметрия акустической нагрузки. Передняя накладка, прилегающая к водной среде, имеет активную составляющую сопротивления излучения, в то время когда тыльная накладка имеет только реактивную составляющую, что вносит существенную разницу в амплитудные и фазовые соотношения колебаний нагруженной и ненагруженной частей преобразователя. Для нейтрализации этой разницы необходима компенсация по активной составляющей сопротивления излучения.However, in real conditions, in the case of a unilaterally loaded design of the transducer operating in the resonant mode, there is a significant asymmetry of the acoustic load. The front plate adjacent to the aqueous medium has an active component of the radiation resistance, while the back plate has only a reactive component, which makes a significant difference in the amplitude and phase ratios of the oscillations of the loaded and unloaded parts of the transducer. To neutralize this difference, compensation is necessary for the active component of the radiation resistance.

Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритной конструкции гидроакустического стержневого преобразователя, обеспечивающеей работу в режиме приемоизлучения и реализующей закрепление колебательной системы преобразователя, при котором:The objective of the present invention is to provide a small-sized design of a hydroacoustic rod transducer, providing operation in the mode of receiving radiation and realizing the fixing of the oscillatory system of the transducer, in which:

а) внешнее гидростатическое давление лишь частично передается на пьезокерамический стержневой блок;a) external hydrostatic pressure is only partially transmitted to the piezoceramic rod block;

б) вибрационные колебания в режиме приема, передающиеся одновременно на оба торца пьезоблока, минимизированы.b) vibrational vibrations in the reception mode, transmitted simultaneously to both ends of the piezoblock, are minimized.

Технический результат заключаются в обеспечении эффективного излучения, в снижении воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок элементов и снижении чувствительности к корпусным вибрациям в режиме приема.The technical result consists in providing effective radiation, in reducing the effect of hydrostatic pressure on the piezoceramic block of elements and in reducing sensitivity to case vibrations in reception mode.

Для достижения этого технического результата в известную по прототипу конструкцию стержневого преобразователя введены новые признаки, а именно в зазоры над и под пружинным коническим кольцевым элементом введены вязкоупругие элементы из акустически мягкого материала.To achieve this technical result, new features are introduced into the design of the rod transducer known by the prototype, namely, viscoelastic elements from acoustically soft material are introduced into the gaps above and below the spring conical ring element.

Сущность изобретения поясняется на чертеже конструкцией гидроакустического преобразователя.The invention is illustrated in the drawing by the design of the sonar transducer.

Передняя накладка (1) выполнена из алюминиевого сплава для улучшения согласования с водной нагрузкой и увеличения кпд, тыльная накладка (3) изготавливается из стали. Пьезокерамический блок (2) состоит из набора активных и изолирующих элементов.The front plate (1) is made of aluminum alloy to improve coordination with the water load and increase the efficiency, the rear plate (3) is made of steel. The piezoceramic block (2) consists of a set of active and insulating elements.

Функцию обеспечения механической (акустической) развязки от силового корпуса (7) выполняют пружинный конический кольцевой элемент (6), через который тыльная накладка (3) связана с массивным опорным элементом (4), имеющим проточку по внутреннему диаметру с выступом, центрирующим пружинный конический кольцевой элемент, обращенный вершиной конуса к массивному опорному элементу, и стержневой элемент (5), по резьбовой части которого осуществляется силовое армирование путем закручивания массивного опорного элемента.The function of providing mechanical (acoustic) isolation from the power housing (7) is performed by a spring conical ring element (6) through which the back plate (3) is connected to a massive support element (4) having a groove along the inner diameter with a protrusion centering the spring conical ring an element facing the top of the cone to the massive support element, and the rod element (5), along the threaded part of which the power reinforcement is carried out by twisting the massive support element.

Вязкоупругие элементы (8) и (9) склеены с поверхностями элементов (3) и (4), а также с поверхностями пружинного конического кольцевого элемента (6).The viscoelastic elements (8) and (9) are glued to the surfaces of the elements (3) and (4), as well as to the surfaces of the spring conical ring element (6).

Функционирование устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

При работе пружинного конического кольцевого элемента (6), на его наружной поверхности (кромке) возникают напряжения сжатия, а на внутренней - растяжения, и слои элементов, прилегающих к поверхностям пружинного конического кольцевого элемента (6), испытывают деформации сжатия (8) и растяжения (9) соответственно, а т.к. слои элементов, прилегающие к поверхностями элементов (3) и (4), неподвижны, то в элементах (8) и (9) имеют место сдвиговые и объемные деформации, при которых потери в вязкоупругих материалах максимальны.During operation of the spring conical ring element (6), compressive stresses arise on its outer surface (edge), and tensile stresses arise on the inner surface, and layers of elements adjacent to the surfaces of the spring conical ring element (6) experience compression deformations (8) and tensile (9) respectively, and since the layers of elements adjacent to the surfaces of the elements (3) and (4) are stationary, then in the elements (8) and (9) shear and volumetric deformations occur, at which the losses in viscoelastic materials are maximum.

При затяжке (в процессе силового армирования) с помощью элемента (4) по резьбовой части стержневого элемента шпильки (5), в последнем создаются растягивающие напряжения, и сжимающие напряжения - в упругом пружинном кольцевом элементе (6), присоединенном к тыльной накладке (3), а также в пьезокерамическом блоке элементов (2).When tightening (in the process of power reinforcement) using the element (4) along the threaded part of the core element of the stud (5), the latter creates tensile stresses and compressive stresses in the elastic spring ring element (6) attached to the back plate (3) , as well as in the piezoceramic block of elements (2).

При воздействии гидростатического давления упругий пружинный элемент (6), через который тыльная накладка (3) связана с опорным элементом (4), и стержневой элемент (5) механически включены параллельно, и на пьезокерамический блок (2) передается не полное усилие, а только часть его, и при соответствующем выборе механических гибкостей стержневого элемента и упругого пружинного элемента это усилие может составлять половину (при их равенстве) и менее от внешнего.Under the influence of hydrostatic pressure, the elastic spring element (6), through which the back plate (3) is connected to the supporting element (4), and the rod element (5) are mechanically connected in parallel, and not only the total force is transmitted to the piezoceramic block (2), but part of it, and with the appropriate choice of the mechanical flexibility of the rod element and the elastic spring element, this force can be half (if they are equal) and less than the external.

В динамическом режиме колебательная система работает таким образом, что излучение или прием полезных сигналов осуществляется передней накладкой со стороны водной среды, а передача колебаний в режиме излучения на силовой корпус, равно как и передача вибраций корпуса на пьезокерамический блок в режиме приема, минимизированы за счет пропорциональности отношения механических гибкостей вязкоупругих элементов ,контактирующих с обеими накладками к отношению их масс.In dynamic mode, the oscillatory system operates in such a way that the radiation or reception of useful signals is carried out by the front cover from the side of the water medium, and the transmission of vibrations in the radiation mode to the power case, as well as the transmission of body vibrations to the piezoceramic block in the receive mode, are minimized due to proportionality the ratio of the mechanical flexibility of viscoelastic elements in contact with both plates to the ratio of their masses.

При этом вязкоупругие элементы (8) и (9), введенные в зазор между плоскими поверхностями тыльной накладки (3) и массивного опорного элемента, вносят дополнительную активную составляющую сопротивления, компенсирующего разницу в амплитудных и фазовых соотношениях скоростей колебаний нагруженной и ненагруженной накладок преобразователя, при воздействии вибраций корпуса в режиме приема. Поскольку дополнительное активное сопротивление вводится в цепь тыльной накладки, которая обычно выполняется по массе большей, чем передняя, то заметного ухудшения основных параметров преобразователя (чувствительности по давлению в приеме и чувствительности в излучении) не происходит, а виброустойчивость увеличивается в 3-5 раз.In this case, the viscoelastic elements (8) and (9), introduced into the gap between the flat surfaces of the back cover (3) and the massive support element, introduce an additional active component of resistance, compensating for the difference in the amplitude and phase ratios of the vibration velocities of the loaded and unloaded converter plates, at the effects of vibration of the case in reception mode. Since the additional active resistance is introduced into the back plate circuit, which is usually massed larger than the front one, there is no noticeable deterioration in the main parameters of the transducer (pressure sensitivity in reception and sensitivity in radiation), and vibration resistance increases by 3-5 times.

В описанной выше конструкции преобразователя реализованы все отличительные признаки, благодаря которым и достигается заявленный положительный эффект, а именно обеспечение эффективного излучения в резонансной области частот, при снижении воздействия гидростатического давления на пьезокерамический блок элементов и снижении чувствительности к корпусным вибрациям (увеличении виброустойчивости) в режиме приема.The transducer design described above implements all the distinguishing features, due to which the claimed positive effect is achieved, namely, ensuring effective radiation in the resonance frequency region, while reducing the effect of hydrostatic pressure on the piezoceramic block of elements and reducing sensitivity to case vibrations (increasing vibration resistance) in the receiving mode .

Таким образом, введение новых признаков позволяет получить заявленный положительный эффект и использовать такие конструкции при воздействии высокого гидростатического давления до 10 МПа в воздухо-газозаполненном варианте антенн.Thus, the introduction of new features allows you to get the claimed positive effect and use such structures when exposed to high hydrostatic pressure up to 10 MPa in the air-gas version of the antennas.

Claims

A hydroacoustic transducer comprising a rod block of piezoceramic elements, a back and front pads, a massive massive fastening support element connected to these pads, the front pads being connected by a rod element passing with a gap inside the cylindrical part of the back pads, and the back pads are connected by means of an elastic spring conical an annular element, characterized in that visco-elastic are introduced into the gaps above and below the elastic spring conical ring element Other elements made of acoustically soft material.