ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПАКТНОГО 3D НЧИ — НИЗКОЧАСТОТНОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПРОДОЛЬНО-ИЗГИБНОГО ТИПА СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
Автор: А. К. Бритенков, М. С. Норкин, А. В. Стуленков, Р. В. Травин
Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie
Рубрика: Разработка приборов и систем
Статья в выпуске: 4, 2023 года.
Бесплатный доступ
Приведены результаты исследований в воздухе резонансных характеристик компактного гидроакустического преобразователя продольно-изгибного типа с цельнометаллической излучающей оболочкой сложной формы — 3D НЧИ — и анализ его электроакустических характеристик в воде. Исследование распределения по поверхности преобразователя амплитуды колебаний в воздухе и электроакустических параметров в воде, полученных в ходе натурных испытаний, подтверждает, что представленный в работе излучатель с габаритными размерами менее 120 мм и массой до 1.2 кг превосходит излучатели подобных размеров по ряду параметров, в частности, обладает более высокими значениями коэффициента механической трансформации и использования присоединенной массы воды. Несмотря на компактные размеры, представленный в работе 3D НЧИ имеет в воде чувствительность по напряжению 1.6 Па·м/В на частоте основного резонанса 1.6 кГц при относительной ширине полосы частот не менее 16% и КПД в рабочей полосе частот до 90%. Показано, что при помощи установки дополнительных элементов происходит повышение эффективности 3D НЧИ за счет снижения уровня колебаний торцевых фланцев за пределами основной полосы частот. Согласно расчетам, излучаемая акустическая мощность такого 3D НЧИ в режиме передачи бинарных фазоманипулированных сигналов может достигать 50 Вт и более, что позволяет с учетом высокой надежности (подтвержденный ресурс более 1011 циклов) и технологичности изготовления успешно применять подобные гидроакустические преобразователи для широкого спектра задач подводной гидроакустики, навигации и телекоммуникации.
Звукоподводная связь, гидроакустический модем, электромеханический трансформатор, низкочастотный гидроакустический излучатель, аддитивные технологии, акустическая мощность, лазерная виброметрия
Короткий адрес: https://sciup.org/142238611
IDR: 142238611 | УДК: 534.13, 534.14, 534.4, 534.143, 534.87, 621.3.019.1
STUDY OF THE ELECTROACOUSTIC CHARACTERISTICS OF THE COMPACT LOW-FREQUENCY HYDROACOUSTIC TRANSDUCER (3D LFHE) OF A LONGITUDINAL-BENDING TYPE AND A COMPLEX SHAPE
The results of studies of the resonant characteristics of a compact longitudinal-bending hydroacoustic transducer with an all-metal radiating shell of a complex shape — 3D LFHE —in air and an analysis of its electroacoustic characteristics in water are presented. An analysis of the distribution of the amplitude of vibrations over the device surface in air and electroacoustic parameters in water, obtained during full-scale tests, confirms that the radiator presented in the work with overall dimensions less than 120 mm and a weight of up to 1.2 kg is superior in a number of parameters to radiators of similar sizes, in particular, it has a higher values of the coefficient of mechanical transformation and the use of the added mass of water. Despite its compact size, the 3D LFHE presented in the paper has a voltage sensitivity of 1.6 Pa×m/V in water at a fundamental resonance frequency of 1.6 kHz, a relative bandwidth of at least 16%, and an efficiency in the operating frequency band of up to 90%. It is shown that after installing additional elements, the efficiency of 3D LFHE is increased due to reducing the level of vibrations of the end flanges outside the main frequency band. According to the calculations, the radiated acoustic power of such a 3D LFHE in the mode of transmission of binary phase-shift keyed signals can reach 50 W or more, which allows, taking into account the high reliability (confirmed service life of more than 1011 cycles) and manufacturability, to successfully use such hydroacoustic transducers for a wide range of problems in underwater hydroacoustics, navigation, and telecommunications.
Список литературы ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПАКТНОГО 3D НЧИ — НИЗКОЧАСТОТНОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПРОДОЛЬНО-ИЗГИБНОГО ТИПА СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
- 1. Бритенков А.К., Боголюбов Б.Н., Смирнов С.А., Перфилов В.А. Перспективы использования 3D-печати для изготовления компактных гидроакустических преобразователей продольно-изгибного типа со сложной геометрией излучающей оболочки // Ученые записки физического факультета Московского университета. 2017. № 5. Id. 1750104. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32451211.
- 2. Sreejith V.S., Tiwari N. Modelling of a hydroacoustic projector to produce low frequency sound // The Journal of the Acoustical Society of America. 2020. Vol. 147, iss. 4. P. 2682–2693. DOI: 10.1121/10.0001133
- 3. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. JI.: Судостроение, 1980. 232 с
- 4. Урик Р.Д. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. 448 с.
- 5. Бритенков А.К., Боголюбов Б.Н., Дерябин М.С., Фарфель В.А. Измерение электромеханических характеристик компактного низкочастотного гидроакустического излучателя сложной формы // Труды МАИ. 2019. № 105. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=104035
- 6. Богородский В.В., Зубарев Л.А., Корепин Е.А., Якушев В.И. Подводные электроакустические преобразователи. JI.: Судостроение, 1983. 248 с.
- 7. Бритенков А.К., Боголюбов Б.Н., Смирнов С.А. Продольно-изгибный гидроакустический преобразователь. Патент RU 2681268. Дата подачи заявки 04.04.2018, рег. № 2018112134, Опубликовано 05.03.2019. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2681268C1_20190305
- 8. Бритенков А.К., Родюшкин В.М., Иляхинский А.В. Исследование методом акустического зондирования физико-механических свойств титанового сплава Ti-6Al4V, полученного методом послойного лазерного сплавления // Materials Physics and Mechanics. 2021. Vol. 47, no. 1. P. 139–158. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44929220
- 9. Buchhave P. Laser Doppler velocimeter with variable optical frequency shift // Opt. and Laser Technology. 1975. Vol. 7, iss. 1. P. 11–16. DOI: 10.1016/0030-3992(75)90088-2
- 10. Britenkov А.К., Bogolybov B.N., Norkin M.S., Travin R.V., Zakharov S.B. Vibromechanical characteristics of the emitting shells of small-sized low-frequency hydroacoustic piezoelectric high power density transducers // IEEE Xplore Digital Library. 2022. Published in: 2022 International Conference on Dynamics and Vibroacoustics of Machines (DVM). DOI: 10.1109/DVM55487.2022.9930906
- 11. Rothberg S.J., Allen M.S., Castellini P., Di Maio D., Dirckx J.J.J., Ewins D.J., Halkon B.J., Muyshondt P., Paone N., Rayan T., Steger H., Tomashi E.P., Vanlanduit S., Vignola J.F. An international review of laser Doppler vibrometry: Making light work of vibration measurement // Opt. and Lasers in Engineering. 2017. Vol. 99, no. 1. P. 11–22. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2016.10.023
- 12. Бритенков А.К., Сорокин А.М. Продольно-изгибный гидроакустический преобразователь. Патент RU 196335. Дата подачи заявки 07.10.2019, рег. № 2019131544. Опубликовано 26.02.2020. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU196335U1_20200226
- 13. Ермолаев Э.В., Махов В.И. Анализ колебаний пьезокерамического стержня с накладкой // Труды XIV Всероссийской конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики" ГА-2018. Санкт Петербург. 2018. С. 637–639. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35640016
- 14. Бритенков А.К., Боголюбов Б.Н., Фарфель В.А. Электроакустические характеристики экспериментального преобразователя продольно-изгибного типа со сложной формой излучающей оболочки // Ученые записки физического факультета Московского университета, 2020. № 1. Id. 2010106. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42605657
- 15. Боголюбов Б.Н., Кирсанов А.В., Леонов И.И., Смирнов C.А., Фарфель В.А. Расчет и экспериментальные исследования компактного продольноизгибного гидроакустического преобразователя с центральной частотой излучения 520 Гц // Гидроакустика. 2015. № 23(3). C. 20–26. URL: https://www.oceanpribor.ru/docs/SbGA23.pdf
- 16. Андреев М.Я., Боголюбов Б.Н., Клюшин В.В., Рубанов И.Л. Низкочастотный малогабаритный продольноизгибный электроакустический преобразователь // Датчики и системы. 2010. № 12. С. 51–55. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15282942
- 17. Панич А.А., Скрылев А.В., Доля В.К., Свирская С.Н., Дыкина Л.А., Карюков Е.В., Нагаенко А.В. Обзор перспективных пьезокомпозитов для применения в акустике и гидроакустике // Тр. XIV Всероссийской конф. "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики" ГА-2018. Санкт-Петербург. 2018. С. 470–473. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35640016
- 18. Butler J.L., Charles H.S. Transducers and arrays for underwater sound. Switzerland: Springer, 2007. 610 p.
- 19. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы. Санкт Петербург: Наука, 2004. 410 с.
