Navorsing Vordering en Ontwikkelingsgeleenthede van Onderwater Akoestiese Transducer Tegnologie

Akoestiese golwe word beskou as die enigste inligtingsdraer wat lang afstande in die see kan reis. Mariene navorsing, hulpbronontwikkeling en maritieme militêre stryd is alles onlosmaaklik van onderwater akoestiese tegnologie. Die ontwikkeling van hidro-akoestiese tegnologie vereis verskeie tipes hidro-akoestiese transduktors om ondersteuning te bied, en die missie van hidro-akoestiese transduktors is om klankgolwe onder water uit te stuur en te ontvang, so hidro-akoestiese transduktors staan bekend as die 'oë en ore van hidro-akoestiese toerusting. omvattende tegniese werkverrigting van die omskakelaar Die dringende vraag uit die gebied van hidro-akoestiese omskakelaars is die direkte ontwikkeling van hidro-akoestiese omskakelaars. gekombineer met my land se mariene tegnologie-ontwikkelingstrategie en situasie, bespreek kortliks die uitdagings en ontwikkelingsgeleenthede wat die huidige onderwater akoestiese transducer-tegnologie in die gesig staar.

 

Die onderwater akoestiese transducer is 'n tipe sensor wat die omskakeling van klank en ander vorme van energie of inligting in die watermedium realiseer; die onderwater akoestiese omskakelaar is die voorste toerusting van die sonarstelsel, en dit is ook die interaksie tussen die sonarstelsel en die watermedium om inligting uit te ruil. venster'. Die veld van navorsing en ontwikkeling van onderwater akoestiese transducer-tegnologie behels die integrasie van veelvuldige dissiplines, en die nou verwante dissiplines sluit hoofsaaklik in: fisika, materiaalkunde, wiskunde, meganika, elektronika, chemie, meganika, ens. dissiplines te oordeel na die dekades van ontwikkelingsgeskiedenis van my land se hidro-akoestiese omskakelaars, kom die grootste ontwikkelingsmotivering uit die toepassingsvereistes op die gebied van hidro-akoestiese tegnologie, maar tot aan die einde van die 20ste eeu het die ontwikkeling van my land se hidro-akoestiese transducer-tegnologie 'n gebrek aan algehele en sistematiese aard.

 

1.1 Navorsingsvordering van lae-frekwensie-omskakelaars

In reaksie op die dringende behoeftes van ultra-lang-afstand onderwater inligting oordrag en die ontwikkeling van ultra-stealth duikboot opsporing, het lae-frekwensie uitsend transduktors sedert die 21ste eeu een van die mees bekommerde brandpunte op die gebied van onderwater akoestiese transducers geword. Die werkfrekwensieband van vreemde ultra-langafstand-opsporing en kommunikasiesonar is tot ongeveer 100 Hz verminder. Laefrekwensie-omskakelaars behels baie teoretiese en tegniese probleme, wat tans nie goed opgelos is nie, en hierdie aspek sal steeds die navorsingsbrandpunt en fokus van aandag in die toekomstige ontwikkeling wees. Hierdie afdeling selekteer die navorsingswerk van buigvibrasie-laefrekwensie-omskakelaars en buigspanning-omvormers, en som die nuwe tegnologiese prestasies op.

 

1.1.1 Buigvibrasie lae-frekwensie-omskakelaar

Die eerste tegniese probleem waarmee die ontwikkeling van lae-frekwensie onderwater-omskakelaars te kampe het, is die geometriese grootte. Oor die algemeen is die werkfrekwensie van resonante omvormers omgekeerd eweredig aan die geometriese grootte. Dit wil sê, hoe laer die frekwensie van die omskakelaar, hoe groter sal die geometriese grootte wees. Vibrasie kan die geometriese grootte van lae-frekwensie-omskakelaars effektief verminder. Die nuwe ontwerpe van lae-frekwensie buig-vibrasie-omskakelaars in China in die afgelope 20 jaar sluit hoofsaaklik geboë balk-omskakelaars en geboë skyf-omskakelaars in.

 

(1) Buigbalk-omskakelaar. Ontwerp 'n silindriese vrykragbundel breëband-sender-omskakelaar (Figuur 1a). Die struktuurontwerp kombineer die eienskappe van modale frekwensie met lae buigvibrasie en die metode van multimodale vibrasiekoppeling om die frekwensieband te verbreed. Chai Yong et al. Daar word 'n buis-balk-koppelring-omskakelaar voorgestel (Figuur 1b). Deur 'n geboë balk by die ingelegde ringvormige transducer te voeg om 'n buisbalk-koppelingstruktuur te vorm, word die effektiewe werkmodus verhoog. Gebruik multi-modus koppeling om lae-frekwensie en wye-band bedryfskenmerke te bereik. Die oorloopstruktuur word aanvaar, en sy vermoë om hidrostatiese druk te weerstaan ​​is geverifieer deur die werklike toepassing van die 3 000 m diepsee-dompelstandaard. Xu et al. voorgestelde twee ontwerpskemas vir silindriese lae frekwensie-omskakelaars (Figuur 1c en d), het 'n reeks simulasies uitgevoer en die emissie-reaksiekrommes gegee wat aangedryf word deur die nuwe magnetostriktiewe materiale Terfenol-D en Galfenol. Dit demonstreer die potensiaal van die omskakelaarstruktuur vir ultra-lae frekwensie toepassings.

Figuur 1 Nuwe ontwerp van lae-frekwensie-omskakelaar vir geboë balk (a), 0 is 'n vaste balk, en 1-5 is silindriese balke met verskillende diktes

(3) Gebuigde skyf-omskakelaar. Die geboë skyf-omskakelaar sluit drie-stapel, dubbelstapel strukture en so aan. Figuur 2a toon 'n kompakte geboë skyf-omskakelaar saamgestel uit 'n paar dubbele lae. Die buitelandse navorsingswerk is relatief volwasse. Dit word in-diepte navorsing gedoen oor hierdie basiese struktuur van die geboë skyf-omskakelaar. Vanuit hierdie basiese struktuur, deur die vloeistofkamer te ontwerp en die bestuursmodus te verbeter, is 'n paar nuwe ontwerpe vervaardig]. Figuur 2b is 'n geboë skyf-omskakelaar wat deur 'n mosaïekring aangedryf word. Die ontwerp van Figuur 2c gebruik geboë skyf-omskakelaars van verskillende groottes om 'n matriks te vorm, en gebruik verskillende aandryfmetodes om breëbandwerking te bereik. Figuur 2d is 'n geboë skyftransducer met oorloopholtestruktuur. Die grootte van die vloeistofholte word gepas in die ontwerp aangepas om aan die akoestiese prestasievereistes te voldoen. Dit is 'n geboë skyftransducer wat deur galfenol aangedryf word, wat 'n struktuur soortgelyk aan 'n longitudinale transducer gebruik om die buigvibrasie van die voorkant wat uitstraal op te wek. 

Figuur 2 Nuwe ontwerp van lae-frekwensie-omskakelaar met geboë skyf

1.1.2 Buigspanning-omskakelaar

Die konsep van die buigspanning-omskakelaar het begin vanaf Hayes se patent in 1936. Die basiese werkmodus is dat een of meer teleskopiese vibrators die buigvibrasiedop aandryf om lae-frekwensie klankstraling te genereer. Die navorsing en toepassing van buigspanning-omskakelaars in my land is aktief sedert die einde van die 20ste eeu. Navorsers het buigspanning-omskakelaars met verskeie strukture ontwerp. Volgens die struktuur en opwekkingsmetode word die buigspanning-omskakelaars in drie kategorieë verdeel. Hierdie klassifikasiemetode word hier gebruik om afsonderlik bekend te stel.

 

(2) Buigspanning-omskakelaar met silindriese struktuur. Hierdie tipe transducer word aangedryf deur 'n longitudinale teleskopiese vibrator om die buig-vibrasiedop te vertaal. Die vibrerende dop van die transducer is 'n translasiestruktuur, dit wil sê 'n silindriese dop van verskillende vorms, wat deur een of meer longitudinale teleskopiese vibrators aangedryf word. Insluitend IV-tipe buigspanning-omskakelaar en sy vervormingstruktuur, VII-tipe buigspanning-omskakelaar, vierhoekige buigspanning-omskakelaar, ens. Figuur 3a is 'n tipiese IV-tipe buigspanning-omskakelaarstruktuur. Die IV tipe buigspanning-omskakelaar aangedryf deur 'n relaxor ferro-elektriese enkelkristal PMNT materiaal is ontwikkel. Die IV-tipe buigspanning-omskakelaar aangedryf deur die seldsame aarde reuse magnetostriktiewe materiaal Terfenol-D is ontwikkel. Figuur 3b is die nuwe ontwerp van die VII-tipe buigspanning-omskakelaar, wat aangedryf word deur die seldsame aarde reuse magnetostriktiewe materiaal Terfenol-D. Die opwekkingsmetode is ontwerp op die breedste deel van die transversale dimensie, en 'n paar parallelle vibrators is ontwerp om 'n in-diepte blik op hierdie tipe transducer te gee. Die reeks navorsing sluit in voorspanningsontwerpanalise, teoretiese modellering, modale analise, eksperimentele navorsing, ens. Figuur 3c is 'n verbeterde nuwe ontwerp van die IV-tipe buigspanning-omskakelaar, wat soortgelyk is aan die ontwerpverbetering van die tipe I-buigspanning-omskakelaar na die tipe II-buigspanning-omskakelaar, deur gebruik te maak van 'n elliptiese dopstruktuur met 'n lang-aangedrewe transduksie, die lang-aangedrewe transduksie. ferro-elektriese enkelkristalmateriaal PMNT, wat beter breëband-werkeienskappe het as die algemene IV-tipe buigspanning-omskakelaar. Figuur 3d is die vroegste nuwe ontwerp om die IV-tipe buigspanning-omskakelaar in China te verbeter - die vislip-tipe buigspanning-omskakelaar, wat 'n elliptiese dop met veranderlike hoogte gebruik en die seldsame aarde supermagnetostriktiewe materiaal Terfenol-D-aandrywing gebruik, hierdie spesiale-vormige vibrerende dop het 'n hefboomarm effek en 'n hoogs geweegde dubbelversterking. Op die oomblik is die Terfenol-D-vislip-buigspanning-omskakelaar in reeksvorm en ontwerp in 'n dubbeldop-struktuur om die transmissiekrag verder te verhoog. Die maksimum klankkrag van 'n enkele transducer kan 10 000 watt bereik, wat dit 'n huishoudelike lae-frekwensie hoë-krag transducer maak. Een van die basiese tipes. Figuur 3e is 'n ortogonale opwekking vierhoekige buigspanning-omskakelaar, wat 'n kompakte ontwerpverbetering aanneem, wat meer funksionele materiale in 'n beperkte volume kan byvoeg en die emissieklankbronvlak kan verbeter. Figuur 3f is nog 'n verbeterde nuwe ontwerp van die IV-tipe buigspanning-omskakelaar, soortgelyk aan die ontwerpverbetering van die tipe I-buigspanning-omskakelaar na die tipe III-buigspanning-omskakelaar, wat twee elliptiese skulpe in serie langs die lang-as-rigting gebruik. fundamentele frekwensiemodus van die buigsame dop, wat bevorderlik is vir modale koppeling om breëband-bedryfskenmerke te bereik. Figuur 3g is 'n verbeterde nuwe ontwerp vir die opwekkingsvibrator van die IV-tipe buigspanning-omskakelaar. Dit is 'n IV-tipe buigspanning-omskakelaar wat deur die opvoubare vibrator aangedryf word. Hierdie struktuur gekombineer met 'n lae-rigiditeit behuisingsmateriaal kan die resonansiefrekwensie effektief verminder.

Figuur 3 Buigspanning-omskakelaar met kolomstruktuur

Dit staan ​​ook bekend as die kalebas-tipe buigspanning-omskakelaar. Dit word bestudeer die kalebas-tipe buigspanning-omskakelaar wat deur PZT en PZT+Terfenol-D aangedryf word. , Die simulasie-analise van die emissie-kenmerkende parameters van die gesamentlike opwekking word uitgevoer. Figuur 4c is 'n konkaaf-buis buigspanning-omskakelaar wat deur magnetostriksie-piëso-elektriese kombinasie opgewek word. In die ontwerp word twee opwekkingselemente, Terfenol-D en PZT, gebruik om 'n saamgestelde longitudinale vibrator te vorm. Figuur 4d toon die konkaaf-silinder buigspanning-omskakelaar. dit word opgewonde deur die multi-piezo-elektriese stapel. Onder die uitgangspunt dat die dop onveranderd bly en die totale volume van die piëzo-elektriese keramiekmateriaal dieselfde is, is die ontleding van verskillende getalle (1-4) piëzo-elektriese stapelaandrywings Vir die impak op die werkverrigting van die transducer, is 'n konkaafbuis-buigspanning-omskakelaar wat deur 'n drievoudige piëzoëlektriese opgewek is, ontwerp en ontwikkel.

Figuur 4 Lang-tipe draai liggaam buig-spanning transducer

Plat-tipe draai liggaam buig-spanning transducer. Hierdie tipe transducer word aangedryf deur 'n radiaal uitbreidende vibrator om 'n rotasie-simmetriese buigende vibrasiedop aan te dryf. Die vibrerende dop van die transducer is 'n rotasie-simmetriese struktuur, gewoonlik 'n paar konvekse of konkawe sferiese doppies (of sferiese kappe) of Dit is saamgestel uit 'n skyf, ens., aangedryf deur 'n radiaal uitdyende ring of skyfvibrator, insluitend V-vormige buig-spanning-omskakelaar, VI-vormige buig-spanning-omskakelaar, ens. hier Klein grootte V-tipe buigspanning-omskakelaar-Simbaal en skyf tipe buigspanning-omskakelaar. Figuur 5a is 'n klein-grootte V-vormige buigspanning-omskakelaar. 'n Paar metaal eindkappe word aangedryf deur 'n piëzo-elektriese keramiekskyf wat radiaal vibreer om buigvibrasie te produseer; Figuur 5b is 'n skyfvormige buigspanning-omskakelaar, wat PZT- in die ontwerp gebruik. 4 Die radiaal gepolariseerde piëso-elektriese keramiekring dryf die geboë skyf aan. Die skyf word in 16 gelyke sektore langs die radiale spleet verdeel om die koppeling van laterale vibrasie te verminder. Die buigspanning-omskakelaars van hierdie twee strukturele vorms het die kenmerke van lae resonante frekwensie, klein geometriese grootte en hoë elektroakoestiese doeltreffendheid.

Figuur 5 Plattipe roterende liggaam buig-spanning transducer

1.2 Navorsingsvordering van hoëfrekwensie breëband-omskakelaars

Benewens die opsporingsafstand as 'n belangrike aanwyser van akoestiese onderwatertoerusting, is 'n ander ontwikkelingsrigting om die maksimum hoeveelheid teikeninligting as hoofdoel te verkry. Byvoorbeeld, hoë-resolusie beeld sonar, hoë-data-tempo onderwater akoestiese kommunikasie, ens. Dit vereis 'n hoë-frekwensie modus werking, en die werk frekwensie band is so wyd as moontlik. Daarom het hoëfrekwensie breëband onderwater akoestiese transducer 'n sleutelkomponent van die stelsel geword, soortgelyk aan optika. Die lens van die beeldstelsel is dieselfde.

 

Figuur 6a is a hoëfrekwensie breëband-omskakelaar met piëzo-elektriese keramiekkolom en bypassende laag. Die verhouding van piëzo-elektriese keramiekspasiëring tot keramiekgrootte en die effek van vulmateriaal op die bandwydte word bestudeer. Die dubbelpassende laag hoëfrekwensie breëband-omskakelaar wat in Figuur 6b ontwerp is, gebruik piëzo-elektriese keramiekkolomme om 'n skikking te vorm, en voeg dan 'n dubbelpassende laagstruktuur van metaallaag en hars saamgestelde materiaal by om hoëfrekwensie breëband akoestiese emissieprestasie te bereik. Figuur 6c toon die ontwerpte 1-1-3 piëso-elektriese saamgestelde hoëfrekwensie breëband-omskakelaar, wat bestaan ​​uit 1-dimensionele gekoppelde piëso-elektriese pilare en 1-dimensionele gekoppelde metaalpilare wat in parallel gerangskik is in 'n 3-dimensionele gekoppelde polimeermatriks. Die driefase piëso-elektriese saamgestelde materiaal word gevorm, en die hoëfrekwensie breëband-sendtransduktor is ontwikkel. Figuur 6d toon die ontwerpte 1-3 piëzo-elektriese saamgestelde hoëfrekwensie breëband-omskakelaar, wat die koppelingseffek van die dikte-vibrasiemodus en die eerste-orde transversale vibrasiemodus gebruik om die breëband-bedryfskenmerke te verwesenlik. Figuur 6e toon die ontwerpte piëso-elektriese saamgestelde ring hoëfrekwensie breëband-omskakelaar. Die piëso-elektriese saamgestelde ring word verkry deur die piëso-elektriese keramiekring radiaal te sny en epoksiehars te giet. Dan word twee piëso-elektriese saamgestelde ringe met verskillende wanddiktes verkry. Die saamgestelde ring is op mekaar geplaas om 'n radiaal uitstralende dubbelresonante transduktor te vorm.

 

Figuur 6 Hoëfrekwensie breëband-omskakelaar