RU234418U1

RU234418U1 - Hydroacoustic emitter

Info

Publication number: RU234418U1
Application number: RU2025106660U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Альбертович Касьянов; Анатолий Игнатьевич Корнев; Артем Алексеевич Лисин; Максим Сергеевич Норкин; Алексей Михайлович Сорокин; Виктор Александрович Фарфель
Filing date: 2025-03-20
Publication date: 2025-05-28

Abstract

Полезная модель, включающая в себя стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезоэлектрических шайб, корпус, представляющий собой механический трансформатор и согласующие шайбы, расположенные между активным элементом и торцевыми крышками. Согласующие шайбы при этом выполнены из легированного алюминиевого сплава, подвергающегося термообработке непосредственно перед сборкой, с целью получить кратковременное высокопластичное состояние, последующему деформированию при помощи торцевых крышек во время сборки и старению в деформированном состоянии в течение времени, необходимого для достижения максимальной жесткости после сборки. Достигается повышение максимальной удельной акустической мощности, повышение стабильности характеристик при длительной эксплуатации и повышение повторяемости характеристик отдельных образцов при серийном изготовлении за счет исключения неконтролируемых зазоров между активным элементом и корпусом при использовании согласующих шайб. A utility model comprising a rod-type active element consisting of piezoelectric washers polarized by thickness, a housing representing a mechanical transformer and matching washers located between the active element and end caps. The matching washers are made of alloyed aluminum, subjected to heat treatment immediately before assembly, in order to obtain a short-term highly plastic state, subsequent deformation by means of end caps during assembly and aging in a deformed state for a time required to achieve maximum rigidity after assembly. An increase in the maximum specific acoustic power, an increase in the stability of characteristics during long-term operation and an increase in the repeatability of the characteristics of individual samples during serial production are achieved due to the elimination of uncontrolled gaps between the active element and the housing when using matching washers.

Description

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована в качестве излучателя в антеннах радиогидроакустических буев, в гибких протяженных буксируемых излучаемых антеннах и подводных гидроакустических комплексах, в том числе автономных.The utility model relates to the field of hydroacoustics and can be used as a radiator in the antennas of radio hydroacoustic buoys, in flexible extended towed radiated antennas and underwater hydroacoustic systems, including autonomous ones.

Известны низкочастотные гидроакустические преобразователи, часто называемые продольно-изгибными, которые содержат армированный стержневой активный элемент, состоящий из поляризованных по толщине пьезокерамических шайб, который расположен в корпусе, являющимся трансформатором механических колебаний (см., например, патент RU 81104 U1 (МПК B06B 1/06, H04R 17/00, публ. 10.03.2009).Low-frequency hydroacoustic transducers are known, often called longitudinal-bending, which contain a reinforced rod active element consisting of piezoceramic washers polarized by thickness, which is located in a housing that is a transformer of mechanical vibrations (see, for example, patent RU 81104 U1 (IPC B06B 1/06, H04R 17/00, published 10.03.2009).

Излучение известных продольно-изгибных преобразователей производится за счет изгибных колебаний боковой поверхности корпуса, возбуждаемых продольными колебаниями активного элемента.The radiation of known longitudinal-flexural transducers is produced due to the bending vibrations of the side surface of the housing, excited by the longitudinal vibrations of the active element.

Недостатком такой конструкции является малая мощность возбуждаемых колебаний, причиной которой является то, что максимальная амплитуда колебаний развивается в средней части бочкообразного корпуса, то есть как раз там, где диаметр корпуса минимален и, поэтому минимальна эффективная площадь боковой поверхности, определяющая объёмную скорость и излучаемую акустическую мощность.The disadvantage of such a design is the low power of the excited oscillations, the reason for which is that the maximum amplitude of the oscillations develops in the middle part of the barrel-shaped body, that is, exactly where the diameter of the body is minimal and, therefore, the effective area of the lateral surface, which determines the volumetric velocity and the radiated acoustic power, is minimal.

От указанного выше недостатка свободен, выбранный прототипом, известный по патенту RU 2681268 C1 (МПК B06B 1/06, H04R 17/00, публ. 05.03.2019) продольно-изгибный гидроакустический преобразователь, с бочкообразной боковой стенкой герметичного корпуса, имеющий максимальный средний диаметр и толщину на середине продольной оси симметрии и минимальные средний диаметр и толщину на торцах, гофрированный вдоль продольной оси с переменной амплитудой, уменьшающейся к фланцам корпуса, удерживающим торцевые крышки с расположенным между ними активным элементом.The longitudinal-flexural hydroacoustic transducer chosen as a prototype, known from patent RU 2681268 C1 (IPC B06B 1/06, H04R 17/00, published 05.03.2019), with a barrel-shaped side wall of a sealed housing, having a maximum average diameter and thickness in the middle of the longitudinal axis of symmetry and minimum average diameter and thickness at the ends, corrugated along the longitudinal axis with a variable amplitude, decreasing towards the flanges of the housing, holding the end covers with an active element located between them, is free from the above-mentioned drawback.

В известном из патента RU 2681268 излучателе удалось реализовать существенно бoльшую объёмную скорость колебаний в силу существенно большей поверхности корпуса, являющимся эффективным механическим трансформатором.In the emitter known from patent RU 2681268, it was possible to realize a significantly higher volumetric oscillation speed due to the significantly larger surface area of the housing, which is an effective mechanical transformer.

Недостатком конструкции прототипа по патенту RU 2681268 C1 является неполная и нередко ассиметричная трансформация продольных колебаний, возбуждаемых активным элементом, в изгибные колебания стенки боковой поверхности корпуса. Причины этого недостатка лежат в практической области и связаны со сложностью обеспечения полной симметричности конструкции при изготовлении. Активный элемент преобразователя обычно собирается (склеивается) из большого количества пьезокерамических пластин (колец), при этом, практически невозможно обеспечить требуемую плоскопараллельность торцов этого активного элемента. Причём непараллельность часто оказывается величиной большей или порядка величины смещения границы активного элемента при подаче на него рабочего напряжения, которая составляет десятки микрометров. Кроме того, практически невозможно обеспечить изготовление «идеальной» оболочки, особенно больших размеров, где с микронной точностью обеспечена перпендикулярность торцов оболочки излучателя его оси симметрии.The disadvantage of the prototype design according to patent RU 2681268 C1 is the incomplete and often asymmetric transformation of the longitudinal vibrations excited by the active element into bending vibrations of the wall of the side surface of the housing. The reasons for this disadvantage lie in the practical area and are associated with the complexity of ensuring complete symmetry of the design during manufacture. The active element of the transducer is usually assembled (glued) from a large number of piezoceramic plates (rings), while it is almost impossible to ensure the required plane-parallelism of the ends of this active element. Moreover, the non-parallelism often turns out to be greater than or on the order of the magnitude of the displacement of the active element boundary when applying the operating voltage to it, which is tens of micrometers. In addition, it is almost impossible to ensure the manufacture of an "ideal" shell, especially large sizes, where the perpendicularity of the ends of the emitter shell to its symmetry axis is ensured with micron accuracy.

Таким образом, механический контакт активного элемента и торцов оболочки является трудноконтролируемым и чаще всего неполным. Меры, которые принимаются для улучшения ситуации, например, увеличение толщины клеевых слоёв в области механического контакта, обычно не приводят к улучшению ситуации в связи с тем, что клеевые составы имеют акустический импеданс на порядки ниже, чем металлы и пьезокерамика, и, таким образом не способны согласовать передачу колебаний между механическими частями, что ведёт к возрастанию потерь и нестабильности механических и акустических характеристик излучателя.Thus, the mechanical contact of the active element and the ends of the shell is difficult to control and most often incomplete. Measures taken to improve the situation, for example, increasing the thickness of the adhesive layers in the area of mechanical contact, usually do not lead to an improvement in the situation due to the fact that adhesive compositions have an acoustic impedance orders of magnitude lower than metals and piezoceramics, and, thus, are not able to coordinate the transmission of vibrations between mechanical parts, which leads to an increase in losses and instability of the mechanical and acoustic characteristics of the emitter.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение максимальной удельной акустической мощности по сравнению с прототипом при тех же габаритах корпуса, повышение стабильности характеристик при длительной эксплуатации и повышение повторяемости характеристик отдельных образцов при серийном изготовлении за счет исключения неконтролируемых зазоров между активным элементом и корпусом.The task, which the proposed utility model is aimed at solving, is to increase the maximum specific acoustic power compared to the prototype with the same dimensions of the housing, to increase the stability of characteristics during long-term operation and to increase the repeatability of the characteristics of individual samples during serial production by eliminating uncontrolled gaps between the active element and the housing.

Поставленная цель достигается тем, что между активным элементом и торцевыми крышками устанавливают согласующие шайбы из алюминиевого сплава, прошедшие процедуру закалки.The stated goal is achieved by installing matching washers made of aluminum alloy that have undergone a hardening procedure between the active element and the end caps.

Как известно, в процессе закалки легированных алюминиевых сплавов можно получить высокопластичное состояние металла. Закалка заключается в нагреве сплавов до температур, при которых легирующие алюминиевый сплав элементы начинают растворяться в алюминиевой матрице до перехода алюминиевого сплава в твёрдый раствор, дальнейшей выдержке при заданной температуре до полного растворения и быстром охлаждении для получения перенасыщенного твердого раствора, скорость охлаждения при этом должна быть выше критической. В состоянии пересыщенного твёрдого раствора легированные алюминиевые сплавы короткое время обладают пластичностью. В дальнейшем их подвергают старению по различным технологиям для достижения заданных свойств. Одним из видов старения сплава (или детали из сплава) является его деформация. Легированные алюминиевые сплавы упрочняются в условиях пластической деформации, когда кристаллизирующиеся структуры скользят друг относительно друга по плоскостям скольжения. По мере увеличения деформации количество плоскостей скольжения уменьшается, и металл упрочняется, переходя при этом из области неупругой деформации в область упругой деформации.As is known, in the process of hardening alloyed aluminum alloys it is possible to obtain a highly plastic state of the metal. Hardening consists of heating the alloys to temperatures at which the elements alloying the aluminum alloy begin to dissolve in the aluminum matrix until the aluminum alloy transitions to a solid solution, then holding at a given temperature until complete dissolution and rapid cooling to obtain a supersaturated solid solution, the cooling rate in this case should be higher than the critical one. In the state of a supersaturated solid solution, alloyed aluminum alloys have plasticity for a short time. Then they are subjected to aging using various technologies to achieve the specified properties. One of the types of aging of an alloy (or a part made of an alloy) is its deformation. Alloyed aluminum alloys are strengthened under conditions of plastic deformation, when crystallizing structures slide relative to each other along slip planes. As the deformation increases, the number of slip planes decreases, and the metal is strengthened, passing from the region of inelastic deformation to the region of elastic deformation.

Для изготовления согласующих шайб может быть использована широкая номенклатура легированных алюминиевых сплавов. Каждый из сплавов имеет свою технологию термообработки, причём особенностью таких сплавов является узкий интервал температур нагрева и выдержки. Например, для сплава Д16 - это 485-505°С, для сплава В95 - 465-475°С, для сплава АК6 - 515-525°С.A wide range of alloyed aluminum alloys can be used to manufacture matching washers. Each alloy has its own heat treatment technology, and the peculiarity of such alloys is a narrow range of heating and holding temperatures. For example, for alloy D16 it is 485-505°C, for alloy B95 - 465-475°C, for alloy AK6 - 515-525°C.

Таким образом, предложенный гидроакустический излучатель, включает в себя стержневой активный элемент и корпус, выполненный в виде оболочки, представляющей собой механический трансформатор.Thus, the proposed hydroacoustic emitter includes a rod-shaped active element and a housing made in the form of a shell, which is a mechanical transformer.

Новым является то, что при изготовлении заявляемой полезной модели используют согласующие шайбы из легированного алюминиевого сплава, для которого известна технология термообработки. Например, согласующую шайбу из сплава Д16 выдерживают при температуре 495°С в течение 2 часов, после чего резко охлаждают в воде с температурой 35°С. Далее шайбы устанавливают в корпус излучателя между торцами активного элемента и деталями, связанными с корпусом и создающими усилия для преднапряжения активного элемента и корпуса излучателя, представляющего собой механический трансформатор. Деталями, сжимающими активный элемент, могут быть сплошные резьбовые крышки, ввинчивающиеся в торцы корпуса. Сборка может происходить в специальной оснастке, поддерживающей заданные усилия при сборке и достаточные для пластической деформации согласующих шайб. Благодаря тому, что детали из легированного алюминиевого сплава непосредственно после закалки пластичны, шайба деформируется и согласует все сопрягаемые поверхности, образуя полный механический (акустический) контакт. Усилие сжатия контролируется в течение времени достаточного, чтобы произошёл процесс старения легированного алюминиевого сплава и возрастания его модуля упругости до максимального для данного вида сплава. Для сплава Д16 этот период времени составляет 5 суток. Далее следуют технологические операции, связанные с герметизацией корпуса излучателя. В собранном таким образом излучателе гарантированно обеспечивается передача полного усилия от активного элемента в механическую систему, связанную с оболочкой - механическим трансформатором.What is new is that in the manufacture of the claimed utility model, matching washers made of alloyed aluminum are used, for which heat treatment technology is known. For example, a matching washer made of D16 alloy is maintained at a temperature of 495°C for 2 hours, after which it is rapidly cooled in water with a temperature of 35°C. Then the washers are installed in the emitter housing between the ends of the active element and the parts connected to the housing and creating forces for prestressing the active element and the emitter housing, which is a mechanical transformer. The parts that compress the active element can be solid threaded covers screwed into the ends of the housing. Assembly can take place in special equipment that maintains the specified forces during assembly and is sufficient for plastic deformation of the matching washers. Due to the fact that the parts made of alloyed aluminum alloy are plastic immediately after hardening, the washer is deformed and aligns all the mating surfaces, forming a complete mechanical (acoustic) contact. The compression force is controlled for a time sufficient for the alloyed aluminum alloy to age and increase its elastic modulus to the maximum for this type of alloy. For alloy D16, this period of time is 5 days. Then follow the technological operations associated with sealing the emitter housing. In a radiator assembled in this way, the transfer of the full force from the active element to the mechanical system connected to the shell - a mechanical transformer - is guaranteed.

Предлагаемая полезная модель поясняется рисунком (фиг.1), где приведено продольное сечение одного из вариантов реализации предлагаемой конструкции гидроакустического излучателя с оболочкой, представляющей собой механический трансформатор. Конструкция включает в себя стержневой активный элемент 1, расположенный в корпусе 2 между торцевыми крышками 3. Торцевые крышки 3 служат для передачи продольных колебаний активного элемента 1 на корпус 2 с целью преобразования их в изгибные колебания боковой стенки корпуса 2. Передача продольных колебаний активного элемента на торцевые крышки происходит через согласующие шайбы 4, выполненные из легированного алюминиевого сплава. Шайбы 4 в процессе сборки излучателя подвергаются термообработке, позволяющей повысить их пластичность непосредственно перед сборкой. В процессе сборки шайбы 4 подвергаются деформации элементами конструкции, например, торцевыми крышками, имеющими резьбовое соединение с корпусом, и торцом активного элемента, в результате чего принимают форму, обеспечивающую полный механический (акустический) контакт между элементами конструкции. Конструкция выдерживается в напряжённом состоянии в течение времени не менее 5 суток, в течение которых происходит старение легированного алюминиевого сплава и увеличение его модуля упругости.The proposed utility model is explained by a drawing (Fig. 1), which shows a longitudinal section of one of the embodiments of the proposed design of a hydroacoustic emitter with a shell representing a mechanical transformer. The design includes a rod active element 1 located in a housing 2 between end caps 3. End caps 3 serve to transmit longitudinal oscillations of the active element 1 to the housing 2 in order to convert them into bending oscillations of the side wall of the housing 2. Transmission of longitudinal oscillations of the active element to the end caps occurs through matching washers 4 made of alloyed aluminum alloy. Washers 4 are subjected to heat treatment during the assembly of the emitter, which makes it possible to increase their plasticity immediately before assembly. During the assembly process, washers 4 are subjected to deformation by elements of the structure, for example, end caps having a threaded connection with the housing, and the end of the active element, as a result of which they take a shape that ensures full mechanical (acoustic) contact between the elements of the structure. The structure is maintained in a stressed state for at least 5 days, during which the alloyed aluminum ages and its elastic modulus increases.

Предлагаемый низкочастотный излучатель с оболочкой, являющейся механическим трансформатором работает следующим образом. Продольные колебания активного элемента 1 трансформируются в колебания корпуса 2, совершающего изгибные механические колебания, которые возбуждают упругие колебания окружающей среды. Полезная работа (излучение акустической энергии) совершается за счет изменения объема корпуса 2 излучателя, которое обеспечивается изменением его диаметра. При этом, благодаря введению согласующих шайб 4, подвергающихся процедурам закаливания, опрессовки и старения обеспечивается полный механический (акустический) контакт в системе активный элемент - согласующая шайба - оболочка излучателя, представляющая собой механический трансформатор. Малые смещения активного стрикционного элемента передаются в систему механической трансформации без искажений по величине и направлению (из-за отсутствия пустот и щелей). Потери мощности при передаче механической энергии сводятся к минимуму, повышается КПД, увеличивается стабильность электроакустических характеристик излучателя во времени.The proposed low-frequency emitter with a shell that is a mechanical transformer operates as follows. Longitudinal vibrations of the active element 1 are transformed into vibrations of the housing 2, which performs bending mechanical vibrations that excite elastic vibrations of the environment. Useful work (radiation of acoustic energy) is performed due to a change in the volume of the housing 2 of the emitter, which is ensured by a change in its diameter. At the same time, due to the introduction of matching washers 4, subjected to hardening, pressing and aging procedures, a complete mechanical (acoustic) contact is ensured in the system of the active element - matching washer - emitter shell, which is a mechanical transformer. Small displacements of the active striction element are transmitted to the mechanical transformation system without distortion in magnitude and direction (due to the absence of voids and cracks). Power losses during transmission of mechanical energy are reduced to a minimum, efficiency increases, and the stability of the electroacoustic characteristics of the emitter increases over time.

Описание рисункаDescription of the drawing

На фиг.1 приведено продольное сечение одного из вариантов реализации предлагаемой конструкции низкочастотного излучателя с оболочкой, представляющей собой механический трансформатор, где:Fig. 1 shows a longitudinal section of one of the embodiments of the proposed design of a low-frequency emitter with a shell that is a mechanical transformer, where:

1 - стержневой активный элемент,1 - rod active element,

2 - корпус излучателя,2 - emitter body,

3 - торцевая крышка,3 - end cap,

4 - согласующая шайба.4 - matching washer.

Таким образом, предлагаемая полезная модель низкочастотного продольно - изгибного излучателя обеспечивает повышение мощности и временной стабильности электроакустических характеристик излучателя. При этом достигается повторяемость характеристик отдельных образцов при серийном изготовлении за счет исключения неконтролируемых зазоров между активным элементом и элементами корпуса.Thus, the proposed utility model of a low-frequency longitudinal-bending emitter provides an increase in the power and time stability of the electroacoustic characteristics of the emitter. At the same time, repeatability of the characteristics of individual samples is achieved during serial production due to the elimination of uncontrolled gaps between the active element and the body elements.

Claims

A hydroacoustic emitter, including a rod-shaped active element, a housing made in the form of a shell, which is a mechanical transformer, characterized in that between the active element and the ends of the housing there are matching washers made of alloyed aluminum, which are made with the possibility of being subjected to heat treatment immediately before assembling the hydroacoustic emitter, with the possibility of transitioning to a short-term plastic state, with the possibility of subsequent deformation during assembly and with the possibility of further aging in a deformed state for the time required to achieve the maximum rigidity of the aluminum alloy selected for the matching washers.