книги из ГПНТБ / Орлов Л.В. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций

Конструкции корпусов, герметизирующих пьезоэлектри­ ческие преобразователи,можноразбитьнадве основные группы: с заполнением электроизолирующими газом или жидкостью. Первые называют силовыми, выдерживаю-

™ю

/ — п ь е з о к е р а м и к а ; 2 — г е р м е т и з и р у ю щ и й ч е х о л ; 3 — с а л ь н и к о ­ в ы й в в о д ; 4 — п р о в о д ; 5 — э к р а н ; 6 — к о ж у х ; 7 — р е з и н о в а я п р о ­ к л а д к а ; 8 — к о м п е н с а т о р ; 9— и з о л я ц и о н н а я к о л о д к а ; 10— м а с л о ; 1 1 — р а з в я з к а ; 12 — а н т и к о р р о з и о н н о е п о к р ы т и е ; 13 и 14 — р а ­

д и а л ь н о е и т о р ц е в о е у п л о т н е н и я .

щими гидростатическое давление без изменения парамет­ ров, вторые— компенсированными (пьезоэлементы нахо­

няя поверхность цилиндрического преобразователя мно­ гоэлементной антенны герметизируется резиновым чех­ лом (рис. 105, а) или тонким металлическим кожухом, имеющим хороший механический контакт с пьезоактив­ ным материалом, в последнем случае через слой изоля­ тора— резины или ■пластмассы. Наиболее подходящей для целей герметизации можно считать резину типа С-572, как имеющую хорошие эластичные и изолирую­ щие свойства, термо- и маслостойкую. Торны цилиндри­ ческого преобразователя герметизируют вулканизацией к металлическим фланцам, сквозь которые через саль­ ники пропускают провода, а внешнюю цилиндрическую

243

поверхность экранируют экранной резиной в требуемом секторе. Крепление к общему корпусу антенны осущест­ вляют за фланцы или кожух преобразователя, связанный с экраном. Внутренний объем может быть использован для размещения согласующих элементов, например компенсирующих электрическую емкость катушек индуктивности. Можно выполнить герметизирующее покрытие и непосредственно по всем поверхностям цилиндра обволакиванием его слоем пластмассы. Тогда во внутреннюю полость преобразователя попадает вода и для исключения нежелательного противофазного из­ лучения внутреннюю поверхность нужно экранировать. Провода от преобразователей собирают в вулканизи­ рованные колодки и кабельные коробки.

Линейные антенны из соосно расположенных ци­ линдрических преобразователей могут быть герметизи­ рованы общим резиновым или металлическим чехлом. Между цилиндрами (рис. 105. б) ставятся торцевые развязывающие и фиксирующие положения колец рези­ новые шайбы. Внутри пропускают стягивающий метал­ лический стержень, служащий элементом жесткости. В этом случае герметизации металлическим кожухом антенна должна быть залита электроизолирующей жидкостью. Противофазное излучение (прием) внут­ ренней поверхностью цилиндров в этом случае не имеет значения, так как вклад от него по причине большой протяженности линейной антенны оказывается малым.

Сферические преобразователи обычно используют в качестве гидрофонов. Во избежание искажений поля гидрофон крепят на стержень (толщиной<СЯо и длиной^>Яо) через резиновую развязку с целью сохранения изотропности приема. Наружная поверхность гидрофо­ на должна быть покрыта антикоррозионным покрыти­ ем, хорошо’ пропускающим звук, — лаком, металличе­ ской или пластмассовой пленкой (рис. 105, в).

Стержневые преобразователи в многоэлементной антенне либо выполняются не связанными между собой механически, либо закрепляются на общей накладке (рис. 106, а, б). В последнем случае корпус может быть заполнен как воздухом, так и маслом (следует иметь в виду, что у антенн с воздушным заполнением возможен перегрев преобразователей при больших излучаемых мощностях, а у антенн, внутри которых находится мас-

244

ло, не исключено возникновение нежелательных резо­ нансов объемов, заполненных маслом, например, резо­ нансы столбов масла между накладкой и экраном). Между накладкой и корпусом во избежание возбужде­ ния последнего желательна акустическая развязка из резины, одновременно могущая служить амортизатором.

При выполнении преобразователей в виде полувол­ новых стержней раскрыв, через который осуществля­ ется излучение (прием), герметизируют звукопрозрач­ ной мембраной. Звукопрозрачность мембраны по давле­ нию при нормальном падении звуковой волны можно оценить с помощью следующих выражений:

энергетический коэффициент отражения

А, Я2 — толщина мембраны и длина волны в ней.

Максимум В соответствует д=(2л—l)— , где п= 1,2..,,

п

максимум D соответствует д = п -~ , где и = 1,3 ...

Корпус антенны с полуволновыми преобразователями и мембраной обязательно заливают электроизолирую­ щей жидкостью. Для компенсации объемных изменений под воздействием температуры и давления применяют резиновые компенсаторы в виде мембран или баллонов.

Секционированные преобразователи склеивают из призм эпоксидными смолами (например ДМ-5-65 или ПД-20), обладающими хорошими механическими свой­ ствами после полимеризации. Электрический контакт обеспечивается впаянными в специальные пазы на по­ верхности керамики пластинчатыми электродами (лепе­ стками). На боковые поверхности преобразователей на-

руют с помощью металлической шпильки (рис. 106,ж). Наличие склеивающих слоев в высокочастотных пре­ образователях вызывает изменение резонансной частоты. Это изменение в зависимости от числа п склеек можно

Если стержневой преобразователь армирован, целесо­ образно приближенно учесть изменение его резонансной частоты за счет влияния гибкости армирующего стержня:

Юнга армирующего стержня.

Большая часть применяемых в антеннах преобразова­ телей должна обеспечивать одностороннее изучение (прием).

Как уже отмечалось в главе VII, цилиндрические пре­ образователи необходимо экранировать непосредственно по периметру в секторе 180° акустически мягким мате­ риалом с акустическим сопротивлением расэ, значительно

V i

9* 247

меньшим сопротивления воды р0с0 (резиной с замкну­ тыми воздушными порами— 10087 или каналами — ИРП-1207).

Стержневые преобразователи можно экранировать этими же резинами, а также материалами с рэсэ^>роСо— металлами (см. табл. 14 в приложении).

Рис. 108. Зависимость резонансной ча­ стоты (/) и амплитуды колебатель­ ной скорости (2) стержневого преоб­ разователя от зазора до жесткого экрана.

Максимум.отражения звуковой энергии от жесткой пластины достигается при ее толщине, кратной нечет-

ному числу четвертей длины волны Я , а максимум про­

шой крутизны зависимости коэффициента отражения от волновой толщины пластины в областях минимумов и малой в областях максимумов толщину жесткой пласти­ ны при сохранении высокой отражающей способности

Коэффициент отражения по мощности (интенсивности) можно рассчитывать по формуле (X— I) (см. также гла­ ву VIII).

Металлический экран нужно устанавливать на опре­ деленном расстоянии от тыльного торца стержня. График, изображенный на рис. 108, позволяет судить

248

об изменении резонансной частоты и амплитуды колеба­ тельной скорости излучающей (приемной) поверхности

сотклонением зазора Аа между преобразователем и

экраном от величины — длина волны запол­

няющей зазор жидкости).

Эти кривые периодически повторяются в зависимости

плоской волны и достаточной для исключения дифрак­

л о— мембрана. Если у мембраны акустическое сопротив­

реактивного сопротивлений, а следовательно, эффектив­ ности и резонансной частоты от расчетных в соответствии

отклонения резонансной частоты /рм от расчетной fp без мембраны, по осям ординат — коэффициенты RMи Хм, характеризующие отклонения активного и реактивного импедансов от значений на резонансе, а при кривых даны волновые размеры зазоров от преобразователя до мембраны (Хж — длина волны в жидкости на частоте fv). Графики справедливы для плоских волн, фронт которых параллелен мембране при поверхности преобразовате­ лей достаточной волновой протяженности и остальной

мембраны толщиной —^ = 0,005 или ^00 .

Изменения колебательной скорости и чувствитель­ ности пропорциональны i R M, а сопротивления — RM.

249

Отклонение частоты резонанса от расчетной опреде­ ляется выражением

/рм = fp (1 — 0 ,0 2 Х М).

Зависимость параметров антенны от зазоров между мембраной, преобразователем и экраном позволяет в некоторых пределах регулировать частоту и эффектив­ ность антенны в случае изменения величины этих зазоров.

0025

'о,и

о,!

0,2

0,15

V

Рис. 109. Зависимость активного (а) и реактивного (б) сопротивле­ ний стержневого преобразователя от частоты и зазора до стальной мембраны, толщиной Л,м/200.

250

На рис. ПО приведены графики изменения плотности, скорости и акустического сопротивления электроизоли­ рующих жидкостей: силиконового (жидкость ПЭСД или калория 2) и конденсаторного масел. Оба масла имеют хорошие электроизоляционные свойства, химически не

Рис. ПО. Зависимость плотности (/)

ратурах д о —60°С (первое) и д о —45°С (второе). У при­ меняющегося иногда касторового масла, имеющего наи­ более близкие значения скорости звука и акустического сопротивления к таковым в воде, температура застыва­ ния— 16°С. Замерзаемость электроизоляционной жидко­ сти — существенный фактор, если антенна хранится в неотапливаемом помещении или находится на судне, стоящем на стапеле.

Для забортного монтажа могут быть использованы следующие провода: ПГШ (без экрана), ПГЭШ (с экра­ ном), кабели МКВДЭ (с общим экраном) в резиновой изоляции, кабели с полиэтиленовой оболочкой и с пожильным экранированием типа СМПЭВГ; число жил у перечисленных кабелей до 37. Провода и кабели выво­ дятся из корпуса через сальниковые вводы, имеющие

251

торцевые пластмассовые или резиновые преграды для исключения вытекания масла из корпуса в кабель между его жилами при увеличении гидростатического давления. Эти торцевые преграды с изолированными вулканиза­ цией штыревыми переходами предохраняют от закора­ чивания жил на воду и попадания воды в корпус антен­

сальниковых вводов, применяющихся для обеспечения доступа внутрь антенны в целях ремонта, осуществля­ ется с помощью двойных торцевых и радиальных уплот­ нений (см. рис. 106, поз. 3 и 4). Герметизация может быть выполнена и с помощью сварных соединений.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ АНТЕНН

ИПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Впроцессе эксплуатации антенн возможен их частич­ ный или полный выход из строя. При проектировании целесообразно устанавливать критерии, определяющие условия, при которых антенна считается вышедшей из строя. Такими критериями могут быть падение развива­ емого антенной давления и чувствительности, рост боко­ вых и расширение основного лепестков, увеличение

ваттного сопротивления, снижение сопротивления изоляции.

Причины, приводящие к отказам: обрывы в прово­ дах и кабелях, короткие замыкания в монтаже, частич­ ное или полное разрушение пьезоэлементов, попадание воды внутрь корпуса, пробой изоляции, коррозия кор­ пуса, потеря поляризации, отсутствие подмагничивания, насыщение резиновых экранов водой или маслом, выте­ кание масла из корпуса.

Обрывы проводов и кабелей можно выявить путем измерения емкости пьезоэлектричесжих (или индуктив­ ности пьезомагнитных) преобразователей.

Присутствие воды внутри антенны (преобразователя), электрический пробой или короткое замыкание, наруше­ ние герметичности проводов проверяют путем измере­

252