RU2712924C1

RU2712924C1 - Electroacoustic non-directional transducer

Info

Publication number: RU2712924C1
Application number: RU2019118689A
Authority: RU
Inventors: Борис Георгиевич Степанов
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2020-02-03
Also published as: EA201900510A1; EA036933B1

Abstract

FIELD: acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to acoustics, to acoustic transducers. Electroacoustic non-directional transducer comprises a piezorod, two identical axially symmetric patches made in the form of solid cones connected by an reinforcing tie, and sealing gaskets installed in the junction of pads, which are facing the bases to each other, and on the side of these bases there are blind cylindrical holes, which do not exceed half the length of the piezorod, which is located in them and is rigidly attached by its ends to ends of the said holes.

EFFECT: technical result consists in obtaining a uniform spherical beam pattern, as well as high sensitivity.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области акустического приборостроения, а именно к конструированию ненаправленных преобразователей, и может быть использовано при проведении различного рода океанографических исследований.The invention relates to the field of acoustic instrumentation, namely to the design of non-directional transducers, and can be used in various kinds of oceanographic studies.

Одной из важных задач, возникающих при разработке гидроакустических преобразователей, является обеспечение ими ненаправленного излучения (приема) звуковых волн. Необходимость в этом возникает, например, при изучении лучевых картин звуковых волн распространяющихся в океане, измерении объемного рассеяния, проведения различного рода гидроакустических измерений, в системах звукоподводной связи, для работы гидроакустических маяков и во многих других случаях.One of the important tasks arising in the development of sonar transducers is to provide them with non-directional radiation (reception) of sound waves. The need for this arises, for example, when studying the ray patterns of sound waves propagating in the ocean, measuring volumetric scattering, conducting various kinds of hydroacoustic measurements, in sound transmission systems, for the operation of hydroacoustic beacons, and in many other cases.

Для обеспечения ненаправленного излучения (приема) часто используются пьезокерамические преобразователи, выполненные в виде пустотельной сферы [Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика / Л.: Судостроение, 1990, с. 279]. Недостатком такой конструкции являются ограничения, связанные с техническими трудностями выполнения ее на низкие резонансные частоты (менее 10 кГц). Максимальный размер (диаметр) такого сферического преобразователя, как правило, не превышает 80-100 мм [Пьезокерамические материалы и элементы / Каталог АО «НИИ «Элпа», с. 23]. Кроме того его конструкция сложна для армирования и обладает ограниченной глубоководностью. Наличие патрубка или отверстия в пьезокерамических сферах для токоввода уменьшает прочность их конструкции. Заполнение внутренней полости пьезокерамических сфер электроизолирующей жидкостью или резиноподобным материалом [SU а.с. №365861 Глубоководный гидрофон], делает конструкцию преобразователя компенсированной, глубоководной, но не решает две другие указанные проблемы.To ensure non-directional radiation (reception), piezoelectric transducers made in the form of a hollow sphere are often used [Sverdlin G.M. Applied hydroacoustics / L .: Shipbuilding, 1990, p. 279]. The disadvantage of this design is the limitations associated with the technical difficulties of performing it at low resonant frequencies (less than 10 kHz). The maximum size (diameter) of such a spherical transducer, as a rule, does not exceed 80-100 mm [Piezoceramic materials and elements / Catalog of JSC “Research Institute“ Elpa ”, p. 23]. In addition, its design is difficult to reinforce and has limited depth. The presence of a pipe or hole in the piezoceramic spheres for current lead reduces the strength of their structure. Filling the internal cavity of piezoceramic spheres with an electrically insulating liquid or rubber-like material [SU a.s. No. 3655861 Deep-sea hydrophone], makes the design of the transducer compensated, deep-sea, but does not solve the two other indicated problems.

Увеличение прочности и габаритов ненаправленного излучателя, имеющего компенсированную конструкцию, в [SU а.с. №398289 Сферический гидроакустический преобразователь] достигается путем выполнения его в виде набора плоских пьезокерамических полуколец (дуг) веерообразно соединенных в диаметральной линии под одинаковыми углами. С внешней стороны конструкция обтягивается оболочкой, а ее внутренняя полость заполняется электроизолирующей жидкостью (маслом). Такой преобразователь имеет сложную конструкцию, а противофазное излучение внутренней полости через зазоры между дугами может ухудшать ненаправленные свойства преобразователя и снижать его эффективность.The increase in strength and dimensions of an omnidirectional radiator having a compensated design in [SU a.s. No. 398289 Spherical sonar transducer] is achieved by performing it in the form of a set of flat piezoceramic half rings (arcs) fan-shaped connected in a diametrical line at the same angles. From the outside, the structure is covered by a shell, and its internal cavity is filled with an electrically insulating liquid (oil). Such a converter has a complex structure, and out-of-phase radiation of the internal cavity through the gaps between the arcs can degrade the non-directional properties of the converter and reduce its efficiency.

С целью увеличения мощности излучения и понижения резонансной частоты в [SU а.с. №716626 Электроакустический преобразователь] предложена конструкция в виде двух жестко скрепленных между собой металлических полусфер, на внутренней поверхности которых закреплены пьезоактивные дуги с угловым размером меньше четверти окружности. Резонансная частота такого преобразователя определяется в основном резонансной частотой составной сферической оболочки. Конструкция является многоэлементной и достаточно сложной в изготовлении.In order to increase the radiation power and lower the resonant frequency in [SU a.s. No. 716626 Electro-acoustic transducer], a design is proposed in the form of two metal hemispheres rigidly bonded to each other, on the inner surface of which piezoactive arcs with an angular size of less than a quarter of a circle are fixed. The resonant frequency of such a converter is determined mainly by the resonant frequency of the composite spherical shell. The design is multi-element and quite complicated to manufacture.

Другим вариантом низкочастотного ненаправленного преобразователя является устройство [SU а.с. №778811 Электроакустический преобразователь], содержащее сферическую оболочку (в одном из вариантов выполненную из двух полусфер) на внутренней поверхности которой имеется набор глухих отверстий, в которые вклеены пьезокерамические диски. Резонансная частота этого преобразователя определяется резонансной частотой его композитной сферической оболочки. Конструкция является многоэлементной и достаточно сложной и трудоемкой в изготовлении.Another option low-frequency omnidirectional Converter is a device [SU A. with. No. 778811 Electro-acoustic transducer] containing a spherical shell (in one of the variants made of two hemispheres) on the inner surface of which there is a set of blind holes in which piezoceramic disks are glued. The resonant frequency of this transducer is determined by the resonant frequency of its composite spherical shell. The design is multi-element and quite complex and time-consuming to manufacture.

В качестве ненаправленного излучателя может быть использована также сферическая антенна [RU Пат. №2460092 Гидроакустическая антенна сферической формы для гидролокатора], рабочая частота которой определяется образующими их преобразователями, имеющими сравнительно высокую рабочую частоту (как правило, десятки кГц). Сферические антенны являются конструктивно сложным и достаточно дорогостоящим оборудованием.As a non-directional emitter, a spherical antenna can also be used [RU Pat. No. 2460092 Spherical hydroacoustic antenna for sonar], the operating frequency of which is determined by the transducers forming them, having a relatively high operating frequency (usually tens of kHz). Spherical antennas are structurally complex and quite expensive equipment.

Таким образом, в настоящее время не имеется достаточно простой в исполнении и надежной в эксплуатации конструкции ненаправленного, эффективного и низкочастотного излучателя (единицы кГц и ниже), способного выдерживать сравнительно большое гидроакустическое давление.Thus, at present, there is no sufficiently simple in design and reliable in operation design of an omnidirectional, efficient, and low-frequency emitter (units of kHz and below) capable of withstanding a relatively large hydroacoustic pressure.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразователь [US Пат. №3215977 Acoustic transducer], состоящий из пьезокерамического стержня, жестко связанного своими торцами с двумя одинаковыми толстыми тарельчатыми накладками с выпуклой внешней поверхностью, которые одновременно служат корпусом преобразователя. Вдоль окружности основания тарельчатых накладок установлены герметизирующие прокладки. Преобразователь армирован стяжкой, проходящей через отверстие в пьезостержне и закрепленной на накладках. Согласно описанию патента, преобразователь имеет резонансную частоту 40 кГц, и в диапазоне частот до 15 кГц обладает сравнительно равномерной частотной характеристикой.The closest in technical essence to the proposed invention is a Converter [US Pat. No. 3215977 Acoustic transducer], consisting of a piezoceramic rod, rigidly connected by its ends to two identical thick disk plates with a convex outer surface, which simultaneously serve as a transducer housing. Sealing gaskets are installed along the circumference of the base of the disk plates. The transducer is reinforced with a screed passing through the hole in the piezo-rod and mounted on the plates. According to the description of the patent, the converter has a resonant frequency of 40 kHz, and in the frequency range up to 15 kHz has a relatively uniform frequency response.

Недостатком этого преобразователя является то, что в области резонансной частоты тарельчатые накладки, обладая сравнительно небольшой изгибной жесткостью, будут совершать изгибные колебания, что приведет к большой неравномерности в распределении колебательной скорости по поверхности преобразователя (вплоть до появления противофазных участков, что зависит от материала и отношения толщины к диаметру тарельчатых накладок). При этом будет формироваться характеристика направленности с выраженной неравномерностью. Слабонаправленное излучение будет формироваться лишь при сравнительно малых волновых размерах преобразователя, т.е. на частотах существенно ниже резонансной, например, в области частот до 15-20 кГц, где эффективность излучения преобразователя будет мала. Таким образом, характеристика направленности такого преобразователя сильно зависит от рабочей частоты и его волновых размеров.The disadvantage of this transducer is that in the region of resonant frequency the disk plates, having a relatively small bending stiffness, will perform bending vibrations, which will lead to large unevenness in the distribution of vibrational velocity over the transducer surface (up to the appearance of antiphase sections, which depends on the material and the ratio thickness to the diameter of the dish plates). In this case, a directivity characteristic with pronounced unevenness will be formed. Weakly directed radiation will be formed only at relatively small wave sizes of the transducer, i.e. at frequencies significantly lower than resonance, for example, in the frequency range up to 15-20 kHz, where the radiation efficiency of the converter will be small. Thus, the directivity characteristic of such a converter strongly depends on the operating frequency and its wave dimensions.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании преобразователя, обладающего ненаправленными свойствами в режиме излучения (приема) в области своей резонансной частоты на сравнительно низких частотах (единицы кГц), при условии эффективного излучения и способного работать при высоком гидростатическом давлении. Кроме того, предлагаемый преобразователь позволяет обеспечить достаточно хорошую чувствительность в режимах излучения и приема за счет использования продольного пьезоэффекта, например, по сравнению с равновеликими пьезокерамическими оболочками, использующими поперечный пьезоэффект, эффективность которого в два раза меньше.The technical problem solved by the present invention is to create a converter having non-directional properties in the radiation (reception) mode in the region of its resonant frequency at relatively low frequencies (units of kHz), subject to efficient radiation and capable of operating at high hydrostatic pressure. In addition, the proposed Converter allows you to provide a fairly good sensitivity in the modes of radiation and reception due to the use of a longitudinal piezoelectric effect, for example, in comparison with the equal piezoelectric ceramic shells using a transverse piezoelectric effect, the efficiency of which is half as much.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом преобразователе так же, как в известном (прототипе), преобразователь содержит пьезостержень, две одинаковые осесимметричные накладки, соединенные армирующей стяжкой, и герметизирующие прокладки, установленные в месте сопряжения накладок. Но в отличие от известного, в предлагаемом преобразователе накладки выполнены в виде сплошных конусов, обращенных основаниями друг к другу, со стороны этих оснований выполнены глухие цилиндрические отверстия, не превышающие по глубине половины длины пьезостержня, который помещен в них и жестко прикреплен своими торцами к торцам указанных отверстий.The problem is solved due to the fact that in the proposed Converter, as in the well-known (prototype), the converter contains a piezo rod, two identical axisymmetric plates connected by a reinforcing coupler, and sealing gaskets installed in the place of mating plates. But unlike the known one, in the proposed converter, the pads are made in the form of continuous cones facing the bases to each other; on the sides of these bases, blind cylindrical holes are made that do not exceed the depth of half the length of the piezo rod, which is placed in them and rigidly attached with its ends to the ends specified holes.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-4. На фиг. 1 схематически показан предлагаемый преобразователь; на фиг. 2 схематически показан характер колебаний и эпюра распределения колебательной скорости по поверхности преобразователя. На фиг. З приведены результаты расчетов характеристики направленности для разных значений волновых размеров предлагаемого преобразователя, а на фиг. 4 показаны экспериментально полученные характеристики направленности.The essence of the invention is illustrated by the drawings shown in FIG. 1-4. In FIG. 1 schematically shows the proposed Converter; in FIG. 2 schematically shows the nature of the oscillations and the diagram of the distribution of vibrational velocity over the surface of the transducer. In FIG. H shows the results of calculations of the directivity characteristics for different values of the wave dimensions of the proposed transducer, and in FIG. 4 shows experimentally obtained directivity characteristics.

Электроакустический ненаправленный преобразователь (фиг. 1) состоит из пьезокерамического секционированного стержня 1, двух одинаковых пассивных накладок 2, выполненных в виде сплошных конусов, обращенных основаниями друг к другу, а также армирующей стяжки 3, выполненной в данном случае в виде болтового соединения, и акустически гибких герметизирующих прокладок 4. В каждом основании конусных накладок выполнено цилиндрическое глухое отверстие, не превышающее по глубине половины длины пьезокерамического стержня 1. Последний располагается внутри указанных отверстий пассивных конусных накладок 2 и жестко соединяется с ними по торцам с помощью эпоксидного компаунда и армирующего болтового соединения 3. Перед окончательной сборкой и армированием преобразователя, между основаниями конусных накладок 2 устанавливаются герметизирующие прокладки 4, которые для большей надежности герметизации могут располагаться не только по внешнему контуру оснований конусных накладок, но и по внешнему контуру цилиндрических отверстий, например, как показано на фиг. 1. Таким образом, конусные накладки образуют прочный корпус преобразователя, а их внешняя поверхность определяет биконическую форму поверхности предлагаемого преобразователя.The electro-acoustic non-directional transducer (Fig. 1) consists of a piezoceramic sectioned rod 1, two identical passive plates 2, made in the form of continuous cones facing each other with bases, and also a reinforcing coupler 3, made in this case in the form of a bolted connection, and acoustically flexible sealing gaskets 4. A cylindrical blind hole is made in each base of the conical plates, not exceeding in depth half the length of the piezoceramic rod 1. The latter is located inside the indicated openings of the passive conical plates 2 and is rigidly connected to them at the ends by means of an epoxy compound and reinforcing bolt connection 3. Before the final assembly and reinforcing of the converter, between the bases of the conical plates 2 are installed gaskets 4, which for more reliable sealing can be located not only along the outer contour of the bases of the conical plates, but also along the outer contour of the cylindrical holes, for example, as shown in FIG. 1. Thus, the conical lining form a solid housing of the Converter, and their outer surface determines the biconical shape of the surface of the proposed Converter.

Достигаемый технический результат заключается в возможности получения близкой к сферической характеристики направленности с помощью предлагаемого преобразователя в области частоты его резонанса. Это обеспечивается тем, что конусные накладки, ввиду жесткости их конструкции и заполнения собой почти всей внутренней области преобразователя (за исключением пьезостержня), с позиции нагруженности на них торцов пьезостержня, в первом приближении можно рассматривать как чисто инерциальную нагрузку, т.е. как сосредоточенные массы. При этом резонансная частота преобразователя

с достаточной для практики точностью (порядка 5%) может быть определена по формуле

где

- резонансная частота пьезостержня; m - масса пьезостержня; М - масса одной конической накладки. В этом случае при колебаниях пьезостержня каждая из его накладок будут перемещаться как единое целое, т.е. совершать колебания типа поршневых. Возникающее при этом распределение амплитуды нормальной компоненты колебательной скорости v_n по поверхности преобразователя схематически показано на фиг. 2. Ориентировочные расчеты показывают, что волновые размеры преобразователя на резонансной частоте могут находиться в пределах 1≤k_врR≤2, где

с_в - скорость звука в воде; R - радиус сферической поверхности, описанной вокруг преобразователя. При этом максимальное расстояние d от поверхности преобразователя до описанной вокруг него сферической поверхности не превышает d<(0.05-0.1) λ_в, где λ_в - длина звуковой волны в воде. Тогда, с учетом фазового набега, распределение радиальной компоненты колебательной скорости, пересчитанной на сферическую поверхность радиуса R и соответствующей эпюре v_n, приведенной на фиг. 2, можно записать в виде:

где v_z - амплитуда осевой колебательной скорости;

- текущая частота; α - угол наклона образующей конической поверхности; θ - текущий угол;

Achievable technical result consists in the possibility of obtaining close to a spherical directivity characteristics using the proposed Converter in the frequency range of its resonance. This is ensured by the fact that, due to the rigidity of their design and the filling of almost the entire internal region of the transducer (with the exception of the piezo rod), from the position of loading the ends of the piezo rod, in a first approximation, it can be considered as a purely inertial load, i.e. like concentrated masses. In this case, the resonant frequency of the converter

with sufficient accuracy for practice (about 5%) can be determined by the formula

Where

- resonant frequency of the piezo rod; m is the mass of the piezo rod; M is the mass of one conical lining. In this case, when the piezo rod oscillates, each of its overlays will move as a whole, i.e. oscillate like a piston. The resulting distribution of the amplitude of the normal component of the vibrational velocity v _n over the surface of the converter is shown schematically in FIG. 2. Rough estimates indicate that the size of the wave transmitter at the resonant frequency can be within 1≤k _BP R≤2, where

C _in - the speed of sound in water; R is the radius of the spherical surface described around the transducer. In this case, the maximum distance d from the transducer surface to the spherical surface described around it does not exceed d <(0.05-0.1) λ _in , where λ _in is the sound wavelength in water. Then, taking into account the phase incursion, the distribution of the radial component of the vibrational velocity, calculated on a spherical surface of radius R and the corresponding diagram v _n shown in FIG. 2, can be written as:

where v _z is the amplitude of the axial vibrational velocity;

- current frequency; α is the angle of inclination of the generatric conical surface; θ is the current angle;

На фиг. 3 для разных значений волновых размеров k_вR показаны результаты расчета нормированных характеристик направленности для предлагаемого преобразователя, полученные с использованием выражения для звукового давления в дальнем поле, создаваемого осесимметричным сферическим излучателем радиуса R:In FIG. 3 for different values of the wave dimensions k _in R shows the results of calculating the normalized directivity characteristics for the proposed transducer, obtained using the expression for the sound pressure in the far field created by an axisymmetric spherical radiator of radius R:

где z_B - удельный импеданс воды;

- полиномы Лежандра; D_n(k_вR) и δ_n(k_вR) - функции Морза; r - расстояние до точки наблюдения; t - время. Множитель в виде суммы в выражении для звукового давления определяет ненормированную характеристику направленности преобразователя

. Параметры расчета и номера кривых соответствуют: α=π/4; 1-k_вR=0.8; 2-k_вR=1.2; 3-k_вR=1.6; 4-k_вR=2.0; 5-k_вR=2.4. Расчет показывает, что в достаточно большом диапазоне частот (волновых размеров k_вR) предлагаемого преобразователя его характеристика направленности близка к сферической.where z _B is the specific impedance of water;

- Legendre polynomials; D _n (k _in R) and δ _n (k _in R) are Morse functions; r is the distance to the observation point; t is time. The multiplier in the form of a sum in the expression for sound pressure determines the abnormal directivity of the transducer

. Calculation parameters and curve numbers correspond to: α = π / 4; 1-k _at R = 0.8; 2-k _at R = 1.2; 3-k _at R = 1.6; 4-k _at R = 2.0; 5-k _at R = 2.4. The calculation shows that in a sufficiently wide range of frequencies (wave sizes k _in R) of the proposed converter, its directivity is close to spherical.

Если использовать полусферические внешние поверхности пассивных накладок, то внешняя поверхность преобразователя будет совпадать с поверхностью описанной вокруг него сферы, на которой распределение нормальной (радиальной) компоненты колебательной скорости будет

В этом случае неравномерность характеристики направленности для указанных волновых размеров преобразователя будет существенно больше. Так например, при k_вR≥1 неравномерность характеристики направленности, определяемая как N-[R_max(θ)-R_min(θ)]/R_max(θ), для преобразователя с полусферическими накладками будет N≥25%.If we use the hemispherical external surfaces of the passive plates, then the external surface of the transducer will coincide with the surface of the sphere described around it, on which the distribution of the normal (radial) component of the vibrational velocity will be

In this case, the non-uniformity of the directivity characteristic for the indicated wave dimensions of the transducer will be significantly greater. For example, when k _in R≥1, the irregularity of the directivity characteristic, defined as N- [R _max (θ) -R _min (θ)] / R _max (θ), for a converter with hemispherical overlays will be N≥25%.

Принцип работы предлагаемого электроакустического ненаправленного преобразователя заключается в следующем. При подаче возбуждающего электрического напряжения на пьезостержень, последний начинает совершать продольные колебания вдоль оси z (см. фиг 1, на фиг. 2 колебания условно показаны двойной стрелкой). При этом, закрепленные по торцам пьезостержня конические накладки 1 также начинают совершать колебания в направлении оси z, приближаясь друг к другу за один полупериод колебаний и удаляясь друг от друга за другой. Таким образом, на внешней поверхности преобразователя формируется синфазное распределение нормальной компоненты колебательной скорости. Благодаря выбору внешней поверхности пассивных накладок в виде конусов и перемещению их как единое целое, на внешней биконической поверхности преобразователя получается близкое к равномерному распределение нормальной компоненты колебательной скорости v_n (см. фиг. 2). Ввиду сравнительно небольших в волновом отношении расстояний от излучающей поверхности преобразователя до описанной вокруг него сферической поверхности радиуса R, можно считать, что на ней также формируется близкое к равномерному распределение радиальной компоненты колебательной скорости v_R(θ). Последнее обстоятельство служит обоснованием получения близкого к ненаправленному излучения, подобно пульсирующей сфере (излучателю нулевого порядка).The principle of operation of the proposed electro-acoustic non-directional transducer is as follows. When an exciting electric voltage is applied to the piezo rod, the latter begins to perform longitudinal vibrations along the z axis (see Fig. 1, in Fig. 2, the oscillations are conventionally shown by a double arrow). In this case, the conical plates 1 fixed at the ends of the piezo rod also begin to oscillate in the direction of the z axis, approaching each other in one half-cycle of oscillations and moving away from each other after another. Thus, in-phase distribution of the normal component of the vibrational velocity is formed on the outer surface of the converter. By choosing the outer surface of the passive plates in the form of cones and moving them as a whole, on the external biconical surface of the transducer, a distribution of the normal component of the vibrational velocity v _n that is close to uniform is obtained (see Fig. 2). In view of the relatively small wavelength distances from the radiating surface of the transducer to the spherical surface of radius R described around it, we can assume that it also forms a nearly uniform distribution of the radial component of the vibrational velocity v _R (θ). The latter circumstance serves as a justification for obtaining close to non-directional radiation, like a pulsating sphere (emitter of zero order).

Поскольку внешняя поверхность пассивных накладок выполняется таким образом, что нормальная составляющая колебательной скорости присутствует практически на всей внешней поверхности преобразователя, то будучи погруженным в водную среду, преобразователь будет излучать (принимать) звуковые волны во всех направлениях. В случае необходимости, путем выбора формы внешней поверхности пассивных накладок (делая ее составленной из двух-трех конических поверхностей с разными углами наклона их образующей) можно добиться практически равномерной (сферической) характеристики направленности в области рабочих частот рассматриваемого преобразователя.Since the outer surface of the passive pads is made in such a way that the normal component of the vibrational velocity is present on almost the entire outer surface of the transducer, when immersed in an aqueous medium, the transducer will emit (receive) sound waves in all directions. If necessary, by choosing the shape of the outer surface of the passive pads (making it composed of two or three conical surfaces with different angles of inclination of their generatrix), it is possible to achieve an almost uniform (spherical) directivity in the operating frequency region of the converter in question.

В качестве пьезостержня может быть использован как пьезокерамический, так и любой другой активный элемент, совершающий продольные колебания. Армирующая стяжка может быть выполнена как центральный элемент, расположенный вдоль оси преобразователя, так и в виде симметрично расположенных с внешней стороны пьезостержня трех-четырех элементов армирования (болтовых или винтовых соединений). При этом сам пьезостержень может быть собран из сплошных пьезокерамических шайб. Указанные возможные замены не отражаются на работе предлагаемого преобразователя, поскольку это все происходит внутри его корпуса, образованного коническими накладками.As a piezo rod, both piezoceramic and any other active element that performs longitudinal vibrations can be used. The reinforcing screed can be made as a central element located along the axis of the transducer, or in the form of three or four reinforcement elements (bolt or screw joints) symmetrically located on the outside of the piezo-rod. In this case, the piezo rod itself can be assembled from solid piezoceramic washers. These possible replacements do not affect the operation of the proposed converter, since this all happens inside its case, formed by conical overlays.

Ввиду симметрии конструкции предлагаемого преобразователя, его крепление удобно располагать в средней плоскости поперечного сечения пьезокерамического стержня, что обеспечивает определенную виброзащиту и устойчивость к помехам в режиме приема. Поскольку внешняя поверхность преобразователя определяется геометрией его пассивных накладок, то пьезокерамический стержень 1, а также глухие отверстия в конусных накладках 2, могут иметь любую нужную конфигурацию поперечного сечения. В частности, с целью увеличения мощности излучения, пьезокерамический стержень может иметь бочкообразный вид, т.е. утолщение в своей средней части.Due to the symmetry of the design of the proposed transducer, it is convenient to mount it in the middle plane of the cross-section of the piezoceramic rod, which provides a certain vibration protection and resistance to interference in the reception mode. Since the outer surface of the transducer is determined by the geometry of its passive plates, the piezoceramic rod 1, as well as blind holes in the conical plates 2, can have any desired cross-sectional configuration. In particular, in order to increase the radiation power, the piezoceramic rod can be barrel-shaped, i.e. thickening in its middle part.

В качестве примера реализации предлагаемого преобразователя на фиг. 4 приведены его экспериментальные нормированные характеристики направленности, полученные для макета с конусными накладками, выполненными из латуни, имеющими радиус основания R=60 мм, угол наклона образующей α=π/4.As an example of implementation of the proposed converter in FIG. Figure 4 shows its experimental normalized directivity characteristics obtained for a model with conical plates made of brass, having a base radius R = 60 mm, and a generatrix inclination angle α = π / 4.

Пьезостержень собран из 8 пьезокерамических шайб состава ЦТБС-3 размером ∅34×∅14×7 мм с электрически параллельным соединением. Армирование преобразователя осуществлялось с помощью центральной стальной стяжки ∅6 мм. Крепление располагалось в узловой плоскости пьезостержня. Резонансная частота преобразователя

(расчет дает

Кривая 1 соответствует излучению на резонансной частоте а кривая 2 - на более высокой частоте

(k_вR≈1.76). Разные уровни кривых 1 и 2 показывают изменение уровня излучения на соответствующих частотах. Макет преобразователя обеспечивал полосу пропускания

и удельную мощность излучения 0.6 Вт/см² при напряженности электрического поля 1000 В/см. Неравномерность характеристики направленности в полосе пропускания не превышала N≤7%.The piezo rod is assembled from 8 piezoceramic washers of the TsTBS-3 composition with a size of ∅34 × ∅14 × 7 mm with an electrically parallel connection. The transducer was reinforced with a central steel tie ∅6 mm. The mount was located in the nodal plane of the piezo rod. Resonant frequency of the converter

(calculation gives

Curve 1 corresponds to radiation at a resonant frequency and curve 2 corresponds to a higher frequency

(k _at R≈1.76). Different levels of

curves

1 and 2 show the change in radiation level at the corresponding frequencies. Converter layout provides bandwidth

and a specific radiation power of 0.6 W / cm ² at an electric field strength of 1000 V / cm. The unevenness of the directivity characteristics in the passband did not exceed N≤7%.

Таким образом, предлагаемый электроакустический ненаправленный преобразователь обеспечивает эффективное ненаправленное излучение (прием) звуковых волн в низкочастотном диапазоне частот (единицы кГц и ниже) с неравномерностью характеристики направленности, не превышающей 10% и возможность работы при значительном гидростатическом давлении. Преобразователь имеет сравнительно простую конструкцию, которая позволяет установку удобного, не влияющего на работу преобразователя, крепления, а также - возможность армирования.Thus, the proposed electro-acoustic non-directional transducer provides effective non-directional emission (reception) of sound waves in the low-frequency range of frequencies (units of kHz and below) with a non-uniformity of the directivity not exceeding 10% and the ability to work with significant hydrostatic pressure. The converter has a relatively simple design, which allows the installation of a convenient fastener that does not affect the operation of the converter, as well as the possibility of reinforcement.

Claims

Электроакустический ненаправленный преобразователь, содержащий пьезостержень, две одинаковые осесимметричные накладки, соединенные армирующей стяжкой, и герметизирующие прокладки, установленные в месте сопряжения накладок, отличающийся тем, что накладки выполнены в виде сплошных конусов, обращенных основаниями друг к другу, со стороны этих оснований выполнены глухие цилиндрические отверстия, не превышающие по глубине половины длины пьезостержня, который помещен в них и жестко прикреплен своими торцами к торцам указанных отверстий.An electro-acoustic non-directional transducer containing a piezo rod, two identical axisymmetric plates connected by a reinforcing coupler, and sealing gaskets installed in the place where the plates are mated, characterized in that the plates are made of continuous cones facing the bases to each other, blind cylindrical sides are made holes that do not exceed the depth of half the length of the piezo rod, which is placed in them and rigidly attached with its ends to the ends of these holes.