Tegnologiese innovasie in die ontwikkeling van akoestiese onderwater-omskakelaars(2)

     Tegnologiese innovasie in die ontwikkeling van akoestiese onderwater-omskakelaars(2)

Yster-gallium-legering (Galfenol) is 'n nuwe soort magnetostriktiewe materiaal wat in onlangse jare na vore gekom het. Sy magnetostriktiewe spanning is tussen nikkel en Terfenol-D, teen 300ppm (dpm is 'n mikroveranderlike, wat ΔL/L=10- 6 verteenwoordig) Hierbo, in vergelyking met Terfenol-D, het dit die voordele van hoër relatiewe deurlaatbaarheid (>100), goeie masjineerbaarheid, hoë temperatuurstabiliteit en hoë treksterkte. Omdat die yster-gallium-legeringsmateriaal goeie bewerkingsprestasie en hoë meganiese sterkte het, kan dit gebruik word om die buigspanning-omskakelaarbehuising te ontwerp en te verwerk. Figuur 2b is 'n navorsingsvoorbeeld van 'n konkawe loop-buigspanning-omskakelaar met 'n yster-gallium-legering behuising. Die onderwater akoestiese transducer word aangedryf Die vibrator is saamgestel uit Φ20mm×40mm yster-gallium-legeringselemente en neodimium-yster-boor permanente magneetplate, en vorm 'n geslote magnetiese stroombaan met die uitstralende dop. Die eksperimentele resultate toon dat die transduktoremissiestroomreaksie 168.4dB (resonansiefrekwensie 1750Hz) is, wat beter is as duralumin van dieselfde geometriese grootte. Die behuising-omskakelaar (resonansiefrekwensie 1900Hz) is verbeter met byna 5dB, wat die ontwerpvoordele van die aktiewe behuising weerspieël.

 

Gepubliseer in 2000, die navorsingsresultate van die magnetostriktiewe-piëzo-elektriese gewrigopwekking breëband longitudinale transducer. Die longitudinale transducer word gesamentlik aangedryf deur die Terfenol-D-eenheid en die PZT-stapel, wat die breëbandwerking van 1.8KHz en 3.5KHz dubbele resonansie piekkoppeling realiseer. Kenmerke, die literatuur het ook gerapporteer dat die 4×4 hoë-krag planêre skikking saamgestel uit hierdie tipe transducer, die klankbronvlak van die skikking groter is as 225dB in die 1.5-6kHz frekwensieband.

 

Terfenol-D multi-eenheid dryf longitudinale transducer, die skrywer het die dryfeenheid vernuftig ontwerp, sy struktuur gebruik 'n permanente magneet huls om 'n vooroordeel magnetiese veld toe te pas om die statiese magnetiese veld van die dinamiese magnetiese stroombaan te skei, en die dinamiese magnetiese Die permanente magneet elemente met lae deurlaatbaarheid word vermy in die pad, en die magnetiese veld energie dryf effek word verhoog; is die fisiese diagram van die dryfeenheid. 4 sulke dryfeenhede word meganies in serie gekoppel om 'n lae-frekwensie longitudinale vervanging met die voorblad en die stertmassa te vorm. Die energie-toestel, die sentrale skroef is voorgespanne; Fig. 3c is die werklike prentjie van die transducer na verpakking, die resonansiefrekwensie van die transducer is 1.6kHz, en die klankbronvlak is 177bB.

 

Die magnetiese kringontwerp van die magnetostriktiewe transducer is baie belangrik. Butler het die konkawe loop-buigspanning-omskakelaar as 'n voorbeeld geneem en die werkseffekte van ses magnetiese stroombaanskemas vergelyk deur eindige-element-analise. Die magnetiese stroombaanstrukture van Fig. 4a-f is onderskeidelik .Kontinue seldsame aardstaaf plus suiwer yster magnetiese deurlaatbare toebehore einddeksel en huls, kontinue seldsame aarde staaf plus suiwer yster deurlaatbare bykomstige eindbedekking, kontinue seldsame aard staaf sonder suiwer yster deurlaatbare bykomstigheid, kombinasie van seldsame aard staaf en permanente magneet stuk plus suiwer yster eindbedekking en magneet kombinasie permanente aarde deksel en magneet bykomstigheid en skaars aarde bykomstigheid suiwer yster magnetiese deurlaatbare toebehore einddeksel, seldsame aardstaaf en permanente magneet stuk kombinasie sonder suiwer yster deurlaatbare magnetiese bykomstigheid, die effektiewe elektromeganiese koppelingskoëffisiënte word bereken as 0.33, 0.30, 0.27, onderskeidelik 0.23, 0.21 en 0.20, wat aandui dat die effektiewe elektromeganiese koëffisiënt van 'n skaars aarde verander is aaneenlopende seldsame aardstaaf tot 'n seldsame aardstaaf gekombineer met 'n permanente magneetblad. Die eindkappe en hulse van suiwer yster magnetiese deurlaatbare toebehore het 'n sekere effek op die verbetering van die elektromeganiese koppelingsprestasie van die seldsame aardvibrator, maar vir aandryfmateriale met lae relatiewe deurlaatbaarheid soos Terfenol-D is die verbetering klein, en die effektiewe elektromeganiese koppelingskoëffisiënt word bepaal deur 0,20 tot 0,3,273 of 0,3273 of 0,3273.

 

 

2. 'n Nuwe generasie piëso-elektriese materiale en hul omskakelaars

Tot die eerste helfte van die 20ste eeu was alle piëso-elektriese materiale enkelkristalle. Polikristallyne piëso-elektriese keramiek bariumtitanaat is die eerste keer in die 1950's ontdek, gevolg deur loodsirkonaattitanaat (PZT) in die 1960's. Die werkverrigting van hierdie piëzo-elektriese keramiek oorskry verreweg dié van vroeë enkelkristalle, en PZT het sedertdien die belangrikste funksionele materiaal van akoestiese onderwateromskakelaars geword.

In die middel-1990's is nuwe piëzo-elektriese enkelkristal lood magnesium niobaat-loodtitanaat (PMN-PT) en loodsink niobaat-loodtitanaat (PZN-PT) ontdek, hierdie twee piëzo-elektriese enkelkristal materiale Dit het 'n baie hoë versadigingsvervorming (meer as 1%), lae verlies, en 9 groter koëffisiënt. wat die potensiële voordele van die verhoging van krag en die verbreding van die frekwensieband in die rigting van die onderwater akoestiese transducer toon. In onlangse jare, die ternêre lood indium niobaat-lood magnesium niobaat-lood titanaat (PIN-PMN-PT) en mangaan-gedoteerde lood indium niobaat-lood magnesium niobaat-lood titanaat (Mn: PIN-PMN-PT) piëso-elektriese enkelkristal materiaal, wat verder verbeter die werk eienskappe onder hoë elektriese veld eienskappe.

Die toepassing van piëzo-elektriese enkelkristal materiale soos PMN-PT op die gebied van onderwater akoestiek het begin met die ontwerp en ontwikkeling van longitudinale transduktors. Meyer en ander het 'n reeks navorsingswerk gedoen, insluitende gedetailleerde ontleding van 33-modus en 32-modus PMN-PT longitudinale transducers, En 'n vergelykende studie met PZT-8. Figuur 5a is 'n 33-modus longitudinale transducer aangedryf deur 'n stapel van 10 PZT-8 wafers, Figuur 5b is 'n 33-mode longitudinale transducer aangedryf deur 'n stapel van 3 PMN-PT wafers, en Figuur 5c is 'n 4 PMN-PT wafers, en Figuur 5c is 'n 4 PMN-PT wafers, Figuur 5b is 'n 33-mode longitudinale transducer aangedryf deur 'n stapel 3 PMN-PT wafers, en Figuur 5c is 'n 4 PMN-PT wafers. transducer. Die resultate toon dat wanneer PMN-PT en PZT-8 gebruik word om longitudinale transduktors met dieselfde frekwensie en emissiebronvlak en ander parameters te maak, die PMN-PT kristal Die stapellengte is slegs sowat 30% van PZT-8, wat die tegniese voordele van piëzo-elektriese enkelkristalmateriale toon om klein transduktors te maak; die 32-modus kan maak dat die enkelkristalmateriaal volgens die beste werkverrigting-oriëntasie gesny word, en terselfdertyd die kombinasie van lang stroke gebruik. Dit kan tegniese probleme vermy soos die groei van groot-grootte enkelwafers, verbeter die betroubaarheid en konsekwentheid van die transducer, en het ooglopende voordele vir medium- en hoëfrekwensie liggewig sonar-skikking toepassings.

Enkelkristal het 'n ontwikkel silindriese transducer saamgestel uit ingelegde ringe. Elke ring bestaan ​​uit 12 wigvormige stroke, en 9 ringe is styf in die aksiale rigting aanmekaargesit om 'n silinder te vorm. Die geometriese grootte (Φ20.3mm × 66mm) Dit is aansienlik kleiner as die piëzo-elektriese keramiek-omskakelaar van dieselfde frekwensie, en realiseer die breëband-werkeienskappe van meer as 2.5 oktaaf. 'n Ander dokument gebruik PMN-PT-enkelkristal om 'n konkawe loop-buigspanning-omskakelaar te ontwikkel. Die dryfvibrator van die transducer bestaan ​​uit 'n stapel van 16 aksiaal gepolariseerde Φ28mm × Φ10mm × 4.8mm elemente, en 'n titanium legering vibrasie dop. Die emissiespanningsreaksie word met meer as 5dB verbeter in vergelyking met dieselfde struktuur-omskakelaar van PZT-4-materiaal.

Die trigonale-tetragonale fase-oorgangstemperatuur van PMN-PT enkelkristal is relatief laag, wat die toepassingsreeks daarvan tot 'n sekere mate beperk, veral vir toepassings onder hoëkragtoestande. Die ternêre lood indium niobaat-lood magnesium niobaat-lood titanaat (PIN-PMN-PT) en mangaan gedoteerde enkelkristal (Mn: PIN-PMN-PT) maak die fase-oorgangstemperatuur van die relaxor ferro-elektriese enkelkristal duidelik. 0,26 tot 0,15, en die verliesfaktor is slegs 1/2 van die gewone PZT-4 piëzo-elektriese keramiek. Daar is ook literatuur wat hierdie twee nuwe formule enkelkristalle, PMN-PT en PZT-4 gebruik om longitudinale transduktors te maak en hul hoëkrag bedryfseienskappe te vergelyk, wat bewys dat die nuwe formule enkelkristalmateriaal meer geskik is vir hoëkrag- en groot dienssiklustoestande. Die klankbronvlak van die PMN-PT-omskakelaar is 5dB hoër as dié van die PMN-PT-omskakelaar by die resonansiefrekwensie. In vergelyking met die PZT-4 piëzo-elektriese keramiek, is die klankbronvlak en kragkapasiteit by die resonansiefrekwensie basies ekwivalent, en die werkbandwydte word met 1 keer verhoog, en die maksimum klankbronvlak buite die resonansiefrekwensie word met ongeveer 6dB verhoog.

 

Die toepassingsnavorsing van PMN-PT enkelkristalmateriaal fokus meestal op mediese hoëfrekwensie ultrasoniese beeldstelsel. Hier is slegs een geval van Simbaal hidro-akoestiese transducer toepassingsnavorsing, met behulp van Φ12.7mm×1mm PMN-PT element om 0.25mm dik titanium aan te dryf. Die legering buig vibrasie cap het 'n Simbaal-tipe klein-grootte buig-spanning transducer ontwikkel, wat 'n 6dB hoër emissie-spanningsreaksie het as die aangedrewe P.ZT transducer-4 die selfde P.ZT transducer.

 

2. Tegniese innovasie van onderwater akoestiese transducer struktuur en tegnologie

⒈Tegniese innovasie om balkkenmerke te verbeter

In moderne sonars word verskeie basiese skikkings oor die algemeen gebruik om die vereiste straalkenmerke te bereik. Wanneer die installasie-opening van die transducer egter beperk is en daar spesiale vereistes vir die straalkenmerke is, moet tegniese maatreëls getref word om die straalkenmerke van die transducer te beheer. Die belangrikste tegniese benaderings vir verbetering sluit in: baffle-toepassing, modale superposisie-tegnologie deur dipole en multipole te gebruik, ens. Hierdie afdeling kies 'n paar tipiese navorsingsvoorbeelde, met die fokus op die ontleding en opsomming van die gebruik van modale superposisie-metodes om die straalkenmerke van die transducer te verbeter Tegniese prestasies.

⑴Gebruik die keerplaat om die straalkenmerke van die transducer te verbeter

In die vroeë sonarstelsel is 'n onafhanklike transducer oor die algemeen gebruik. Wanneer die rigting nie aan die vereistes kan voldoen nie, word die weerkaatsing van die keerplaat gebruik om die transmissiestraal te beheer, wat hoofsaaklik deur 'n plat keerplaat, 'n silindriese keerplaat en 'n sferiese keerplaat insluit. Plaat- en keëlskeerplaat om die rigting van silindriese transduktors, suiertransduktors, sferiese omvormers, ens. te verander, voldoen tot 'n sekere mate aan die behoeftes van eenrigting-transmissiestraalbeheer, soos getoon in Figuur 6, die gebruik van dubbele keëls Die reflektiewe keerplaat pas die rigting van die magnetostriktiewe toroïdale omvormer aan.

 

Daar is 'n literatuur dat die 3kHz tipe IV buigspanning-omskakelaar naby die fokus van die paraboliese reflektor-skeerplaat geplaas word, sodat die tipe IV buigspanning-omskakelaar met sy eie nie-rigting-omvormer eenrigting-stralingseienskappe kan bereik. Die eksperiment verkry 'n enkelhoek openingshoek van 83°. Vir die straal is die voor- en agterresponsverskil 21dB.

⑵ Modale kombinasie rigtingtransducer

Verskeie strukturele omskakelaars het verskillende multi-orde vibrasiemodusse. Resonante-omskakelaars werk gewoonlik gebaseer op die fundamentele frekwensie-vibrasiemodus. Verskillende vibrasiemodusse sal ooreenstem met hul effektiewe opwekkingsmetodes, dus 'n kombinasie van opwekkingsmetodes kan gebruik word. Besef die superposisie-aandrywing van veelvuldige vibrasiemodusse, om sodoende die doel te bereik om die eienskappe van die uitstuurbundel te verander. Die hoofmodusse wat die straalkenmerke van die transduktor deur kombinasie kan verander, sluit in monopoolmodus, dipoolmodus en kwadrupoolmodus, ens. Hierdie basiese modusse kan 'n verskeidenheid rigtingwysingspatrone bereik deur geweegde kombinasie. In hierdie afdeling, gekombineer met spesifieke literatuurresultate, word 'n kort ontleding en opsomming van die prosesseringstegnologie en opwekkingsmetodes van verskillende strukturele omvormers gemaak om modale superposisie te bereik.

Opwekking multi-modus werk neem oor die algemeen die partisie opwekking metode, soos: piëzo-elektriese keramiek buis of sferiese dop neem dikwels die gesplete elektrode metode, sien Figuur 7a, b; magnetostriktiewe veelhoek ( ring) transducer, aanvaar onafhanklike randopwekking op die manier.

 

Butler et al. ontwerp en ontwikkel 'n 'modale transducer', wat steeds die ontwerp-idee van partisie-opwekking gebruik, maar deur die beperking van die verdeling van onafhanklike komponente te breek, deur 8 onafhanklike 1/4 longitudinale vibrators te gebruik om die stertmassa te deel, elke transducer. transducer. Die geometriese grootte van die transducer word nie beperk deur die prosestoestande van die onafhanklike elemente nie, en die lengterigting van die voorgespanne struktuur word terselfdertyd aangeneem. Die vibrator het tegniese voordele vir die ontwerp van lae-frekwensie en hoë-krag rigting transduktors. Figuur 8 toon die basiese modale vibrasievorms van die 'modale transducer'. Modale omskakelaars gebaseer op PZT-8 piëzo-elektriese keramiek, PMN-PT enkelkristal en Terfenol-D reuse magnetostriktiewe materiale is onderskeidelik ontwerp en ontwikkel. Dit het 'n kardioïede rigting-oordragstraal verkry met 'n rigting-indeks van 6dB en 'n 25dB verskil in voor-na-agter reaksie.

 

Dit is 'n ander soort lae-frekwensie en hoë-krag rigting-emissie-omskakelaar - 'n sone-opgewonde buigspanning-omskakelaar. In die ontwerp word die piëso-elektriese stapel (of magnetostriktiewe vibrator) van die fleksie-spanning-omskakelaar onderwerp aan sone-opwekking, deur gebruik te maak van Die kombinasie van monopool- en dipoolmodusse word gesuperponeer om 'n kardioïede rigting-emissiestraal te vorm. Figuur 9a is 'n 900Hz-rigting-tipe IV-buigspanning-omskakelaar, en Figuur 9b is 'n 3kHz-rigting-tipe VII-buigspanning-omskakelaar.

Die literatuur bestudeer 'n wyeband multimode silindriese transducer met 'n keerplaat (getoon in Figuur 10). Die elektrodes van die piëzo-elektriese keramiek silindriese buis word eweredig in twee groepe verdeel, en onafhanklik opgewonde om 'n monopool (0 modus) en 'n dipool (1 modus) te verkry, en dan saam te werk met die keerplaat om die eensydige rigtingemissie te realiseer. Die navorsingswerk gebruik ook die faseverwantskap tussen die modusse om 'n onafhanklike drywingsversterker en instemkring te ontwerp, deur die lae frekwensie '0+1' en die hoëfrekwensie '0 + 1'. －1' Modale kombinasiebeheer realiseer breëband-werkeienskappe. Die transducer neem 4 PZT-4 piëzo-elektriese ronde buise van Φ38.2mm×Φ31.8mm×19mm in die hoogterigting aan, en die grootte na verpakking is Φ48mm×79mm. Die keerplaat is gemaak van 'n kurk- semilamineerstuk. silindriese oppervlak het 'n dikte van 6 mm, en die emissiespanningsreaksie fluktueer met 6dB in die 26-46kHz frekwensieband.

2. Tegniese innovasie om frekwensie-eienskappe te verbeter

Met die multi-rigting uitbreiding van die toepassingsrigting van onderwater akoestiese tegnologie, is die werkfrekwensiereeks van aktiewe sonarstelsels voortdurend uitgebrei. Onder hulle is die werkfrekwensie van hoë-resolusie-beeldsonar verhoog tot 106Hz, en die werkfrekwensieband van ultra-langafstand-opsporing en kommunikasiesonar is selfs laer. Onder 100 Hz; aan die ander kant vereis die ontwikkeling van sonarinligtingverwerking dat die werkfrekwensieband van die omskakelaar so wyd as moontlik is. Daarom het lae-frekwensie-omskakelaars en breëband-omskakelaars die afgelope jare baie aandag in die akoestiese onderwaterveld getrek, en die navorsingsresultate is redelik ryk. Daar is egter steeds baie teoretiese en tegniese probleme wat nie goed opgelos is nie. Hierdie aspek sal steeds die navorsingsbrandpunt en fokus van toekomstige ontwikkeling wees. Hierdie afdeling selekteer die navorsingswerk in die rigting van lae-frekwensie-omskakelaars en breëband-omskakelaars, en ontleed en som dit op. Innoverende idees en nuwe tegnologiese prestasies.

⑴ Innoverende ontwerp van lae frekwensie-omskakelaar

① Buig vibrasie lae-frekwensie-omskakelaar

Die eerste tegniese probleem waarmee die ontwikkeling van laefrekwensie-omskakelaars te kampe het, is 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 is die geometriese grootte, soos 500Hz longitudinale omskakeling. Die lengte van die energietoestel is ongeveer 3m. Buigvibrasie kan die geometriese grootte van lae-frekwensie-omskakelaars effektief verminder. Onder hulle sluit omvormers wie se funksionele toestelle direk aan buigvibrasie deelneem hoofsaaklik buigstraalomskakelaars, buigskyf-omskakelaars, ens.

Figuur 11a toon 'n tipiese drie-gestapelde buigbalkstruktuur. 'n Stuk piëzo-elektriese keramiekstroke word bo- en onderkant van die buigbalk geplak. Wanneer een van die piëzo-elektriese keramiekstroke rek en die ander trek saam wanneer dit opgewonde is, sal die metaalbalk in die middel buigvibrasie produseer. Hierdie soort energie-omskakeling Die toestel moet aan die een kant aan water blootgestel word om klankgolwe uit te straal, so gewoonlik word verskeie geboë strale gekombineer om 'n lugholte te vorm, soos getoon in Figuur 11b, elke uitstralende oppervlak vibreer in fase.

 

'n Soortgelyke werksbeginsel word 'n geboë skyf-omskakelaar met 'n skyfstruktuur genoem, wat ook 'n drielaag- en dubbelgelamineerde struktuur insluit. Figuur 11c toon 'n kompakte geboë skyf-omskakelaar saamgestel uit 'n paar dubbel-gelamineerde velle. (Bender). Delany-stelselontleding het Bender se lae-frekwensie, klein-grootte en hoë-krag bedryfskenmerke nagevors.

Die ontwikkeling van buigvibrasie-lae-frekwensie-omskakelaars sluit ook 'n nuwe struktuur-gesplete toroïdale transducer in (getoon in Figuur 12). Die gesplete toroïdale omskakelaar kan beskou word as 'n spesiale buigstraal-omskakelaar. Die oorspronklike struktuur is in 1957 deur Harris voorgestel. Die saamgestelde ringbalk was saamgestel uit 'n binneste piëso-elektriese keramiekring en 'n buitenste metaalring. Die modellering en ontleding van die omskakelaar was gebaseer op die 'stemvurkmodel' wat in Figuur 12b getoon word, en die dryfelement is aangepas na 'n gesplete struktuur. Die gesplete ring-omskakelaar kan met 'n groter grootte ontwerp word, en die massa kan deur die dikte verspreiding-styfheid aangepas word om die optimering van die bedryfsfrekwensie en stralingskenmerke te bereik, soos in Figuur 12c getoon.

 

② Buig-spanning-omskakelaar

Die konsep van die buiging-omskakelaar het begin vanaf Hayes se patent in 1936. Nadat Toulis die patent van die IV-tipe buig-omskakelaar in 1966 gepubliseer het, het die navorsing en toepassing van die buig-omskakelaar aktief begin wees, en daar was tot dusver meer as die helfte daarvan. In die eeu van ontwikkelingsgeskiedenis is verskeie strukturele vorme van buigspanning-omskakelaars gebore, en hul werkbeginsels en strukturele prosesse is vol innoverende ontwerpidees. Ons kan hulle nie een vir een in die chronologiese volgorde van hul ontwikkeling bekendstel nie, slegs die buigspanning-omskakelaars. Die struktuur en aansporingsmetodes van die maatskappy word in die volgende drie kategorieë verdeel, wat kortliks ontleed en opgesom word.

△ Buig-spanning-omskakelaar met silindriese struktuur. Hierdie tipe transducer word aangedryf deur 'n longitudinale teleskopiese vibrator om die buigvibrasiedop te transleer, soos getoon in Figuur 13. Die vibrerende dop van die transducer is 'n translasiestruktuur, dit wil sê, 'n silindriese oppervlak van verskillende vorms, aangedryf deur een of meer longitudinaal teleskopiese vibrators, a is tipe V transducerII flextens. toestel, c is 'n 'stervormige' buigspanning-omskakelaar wat deur 'n ortogonale piëso-elektriese stapel aangedryf word, en 'n 'stervormige' buigspanning-omskakelaar wat deur 'n vierhoekige magnetostriktiewe vibrator aangedryf word. Aangesien hierdie tipe transducer maklik is om 'n gepartisioneerde opwekkingsvibrator te ontwerp, kies die rigtingbuig-spanning-omskakelaar wat hierbo beskryf word oor die algemeen hierdie tipe struktuur.

△ Buig-spanning-omskakelaar met lang roterende liggaam. Hierdie tipe transducer word deur 'n longitudinale teleskopiese vibrator aangedryf om 'n rotasie-simmetriese buigende vibrasiedop aan te dryf, soos getoon in Figuur 14. Die vibrerende dop van die transducer is 'n rotasie-simmetriese struktuur, insluitend 'n reeks loopbalke wat langs die omtrek versprei word, wat oor die algemeen deur 'n longitudinale vibrasie-teleskoop aangedryf word. Figure 14a en b is die konvekse vorms van die tipe I buigspanning-omskakelaar Struktuur en konkawe struktuur; soos getoon in Figuur 14c, word die longitudinale opwekkingsvibrator van die transduktor in die aksiale rigting verleng om die volume van die funksionele materiaal te verhoog om te ontwikkel tot 'n tipe II buigspanning-omskakelaar; soos in Figuur 14d getoon, is die buig-vibrasie-dop ontwerp In die vorm van twee of meer seksies, is dit ontwikkel tot 'n tipe III-buigspanning-omskakelaar. Beide tipe II- en tipe III-buigspanning-omskakelaars het ooreenstemmende konkawe strukture.

△ Buig-spanning-omskakelaar met plat roterende liggaam. Hierdie tipe transducer word aangedryf deur 'n radiaal uitbreidende vibrator om 'n rotasiesimmetriese buigende vibrasiedop aan te dryf, soos getoon in Figuur 15. Die vibrerende dop van die transduser is 'n rotasie-simmetriese struktuur, gewoonlik 'n paar konvekse of konkawe sferiese krone (of sferiese krone), wat deur 'n skyf radiaal uitgebrei word, aangedryf deur 'n skyf 1 figuur5. V-tipe buigspanning-omskakelaar, b is 'n wafer-aangedrewe V-tipe buigspanning-omskakelaar, c is 'n tipe VI buigspanning-omskakelaar, d en e is klein buigspanning-omskakelaars wat ontwikkel is op die basis van struktuur b. Die toestel word Simbaal-omskakelaar genoem.

△ Holte struktuur lae frekwensie transducer. Helmholtz resonator is die basiese vorm van holtestruktuur onderwater akoestiese transducer, soos getoon in Figuur 16. a, b en c is die drie basiese strukture van Helmholtz resonators, wat piëzo-elektriese keramiekbuisopwekking, buigskyfopwekking en piëzo-elektriese keramiekbalopwekking gebruik. Helmholtz-resonators het oor die algemeen 'n nou werkfrekwensieband, en d word gebruik op die basis van b Die dubbele werkoppervlaktes van die geboë skyf prikkel die resonante holtes van verskillende volumes om die dubbele resonanswerking te realiseer. Die literatuur het 'n meer volledige Helmholtz resonator analise model daargestel, en die verband tussen die werkeienskappe en strukturele parameters van die 300HZ Helmholtz resonator ontleed. Morozov et al. 'n onderwater pyporrelklankbron ontwerp (getoon in Figuur 17). Die ontwerp van Figuur 17a realiseer frekwensie-instelling deur die huls te beweeg om die impedansie van die resonansiestelsel te verander. Die instemfrekwensie wissel van 225 tot 325 Hz, en die doeltreffendheid is tot 80% of meer, wat die hoë-Q (gehaltefaktor) stelsel met hoë doeltreffendheidskenmerke weerspieël; Figuur 17b Die ontwerp gebruik 'n dubbelbuisstruktuur met 'n ingeboude sferiese klankbron om dubbelfrekwensie-resonansie te verkry. Die lae-frekwensie resonansie is 'n holte resonansie wat saamgestel is uit 'n dubbelseksie huls. Die hoëfrekwensie-resonansie is slegs die resonansie wat ooreenstem met die binneresonansiebuis. Die buitenste huls en die binneste resonansiebuis kan metaal-aluminium of nie-metaal koolstofveselmateriaal gebruik.

⑵ Innoverende ontwerp van breëband-omskakelaar

In die geskiedenis van die ontwikkeling van akoestiese onderwatertegnologie is 'n verskeidenheid strukturele vorms van akoestiese onderwateromskakelaars vervaardig, elk met werkeienskappe wat deur sy strukturele eienskappe bepaal word. Om by die ingenieursbehoeftes van breëbandtoepassings aan te pas, word byna elke strukturele omvormer gekonfronteer met die tegniese probleme van breëbandontwerp en prosesverbetering. Onder hulle is die longitudinale transducer een van die mees algemene strukturele vorms van transducers in die veld van onderwater breëband omskakelaar . Die navorsingsresultate van breëbandontwerp en toepassing is redelik ryk. Die tegniese beginsels van die breëbandontwerp van ander strukturele omskakelaars is basies soortgelyk. Hierdie afdeling fokus op 'n reeks nuwe ontwerpidees gebaseer op longitudinale omvormers om breëband-eienskappe te bereik.

① Band kombinasie breëband longitudinale transducer

Die toepassing van frekwensiebandkombinasie het reeds in die vroeë stadium van die ontwikkeling van sonartegnologie begin. Vroeë werk is in die 1940's gesien. Drie magnetostriktiewe longitudinale omvormers met verskillende resonansie frekwensies is gebruik om 'n reghoekige uitstralende plaat aan te dryf en ses transduktors in 'n leerrangskikking. Aangedryf deur 'n gemeenskaplike wikkelspoel (getoon in Figuur 18), is die onafhanklike resonansiefrekwensies van die omskakelaar onderskeidelik 21.5, 23 en 24.5kHz, Q=12 en Q=4 na die kombinasie. Alhoewel hierdie frekwensiebandkombinasiemetode nie streng 'n wyebandomskakelaar is nie, word dit steeds wyd gebruik in die veld van onderwaterakoestiek, veral in akoestiese stelsels soos geraasimulasie en akoestiese lokmiddels. Die toestelkombinasie realiseer ultrawyeband-emissie-eienskappe.

 

② Modale koppeling breëband longitudinale transducer

Die voorblad van die longitudinale transducer word gewoonlik aanvaar om te vibreer op die wyse van 'n suier in die ontleding van die eendimensionele model, dit wil sê, geen buigvibrasie vind plaas nie. Wanneer die horing van die uitstralende oppervlak van die transducer relatief wyd is, moet dit vergesel word van buigvibrasie, wat redelik is. Deur die buigvibrasiemodus van die voorblad te gebruik om dit effektief te koppel aan die longitudinale vibrasiemodus, kan 'n breëband longitudinale transducer ontwerp word. Literatuur het die koppelingseffek van buigvibrasie en longitudinale vibrasie van die vierkantige stralende dekplaat bestudeer en 'n breëband-omskakelaar ontwerp. In 'n ander literatuur is 'n vibrerende en buigende skyf in die bestralingsdeksel ingebed, en die buigskyf word gekoppel aan die vibrasiemodus van die longitudinale transducer, en die breëband-transducer is ontwerp en ontwikkel soos in Figuur 19a getoon. Die piëzo-elektriese stapel van die longitudinale transducer kan in verskeie groepe ontwerp word. Soos in Figuur 19b getoon, is dit die basiese struktuur van die transducer wat dubbele opwekkingsmodale koppeling gebruik om breëbandwerking te bewerkstellig. Butler is gebaseer op die struktuur van die dubbele eksitasie longitudinale transducer. In-diepte ontwikkeling, soos die gebruik van magnetostriktiewe en piëso-elektriese hibriede dubbele opwekking om 'n breëband longitudinale transduser te ontwerp, en die voorblad om 'n 1/4 golflengte bypassende laag te plak, en ontwerp 'n derde-orde resonansiemodus koppeling ultrawyeband longitudinale transducer. 37kHz.

③ Breëband longitudinale transducer tesame met vloeistofholte

Die tipiese ontwerp van die koppeling tussen die longitudinale transducer en die vloeistofholte is die Janus-Helmholtz transducer (getoon in Figuur 20). Die longitudinale omvormer neem 'n dubbele uitstralende struktuur aan, genaamd Janus, met 'n silindriese huls wat ontwerp is om 'n Helmholtz-resonante holte tussen Janus se dubbelstraalkoppe te vorm; die algemene vloeistofholte-resonante-omskakelaar het 'n smal werkfrekwensieband. In Janus gesamentlike toepassing, kan breëband transmissie gerealiseer word deur geoptimaliseerde ontwerp van modale koppeling.

Gall het twee Janus-Helmholtz-omskakelaars, 300Hz en 160Hz, ontwerp en die effek van die byvoeging van 'n voldoenende buis in die Helmholtz-resonansieholte op die breëband-werkeienskappe van die omskakelaar in diepte bestudeer.

⒊ Tegniese innovasie om die krag van uitgestraalde klank te verbeter

Die direkte manier om die klankkrag van 'n onderwater akoestiese transducer te verhoog, is om die volume van die transducer te verhoog, die getal te vermeerder en 'n geslote matriks te vorm. Die mees effektiewe metode is om hoë-energie-digtheid funksionele materiale te gebruik. Die vorige hoofstukke het die toepassing van hoë-energiedigtheid funksionele materiale verduidelik. Hierdie afdeling fokus op die tegniese innovasies in die struktuur en proses van kleinvolume hoëkrag-omskakelaars.

In die beskrywing van die voordele en nadele van die klein grootte en hoë krag eienskappe van die transducer, word die volume syfer van verdienste oor die algemeen gebruik om te meet, nl.

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Formule ⑴ definieer die volume meriete faktor van 'n sekere tipe transducer, waar: Wa is die klank krag (W), V is die volume van die transducer (m3), f0 is die resonansie frekwensie (Hz), Q is die kwaliteit faktor, Die volume meriete faktor van die toestel is nou verwant aan die struktuur en funksionele materiale. Delany het 'n kompakte geboë skyf-omskakelaar (Bender) ontwerp en ontwikkel en die werkeienskappe van Bender se lae-frekwensie, klein-grootte en hoë-krag werking sistematies ontleed en bestudeer.

 

 

Daar is literatuur wat die konkawe struktuur tipe I (konkaaf loop tipe) buig-spanning-omskakelaar in 'n meer kompakte kombinasie ontwerp, wat verskeie transduktorklusters in 'n beperkte volume in staat stel om volumeverplasing te maksimeer en groot krag-eienskappe te bereik, soos getoon in Figuur 21, die toppunt van 6 tipe I-buigspanning-omvormers is saamgegroepeer om 'n sespunt-saam te vorm buigspanning-omskakelaar, wat die eienskappe van kompakte struktuur, lae frekwensie, hoë drywing en wye frekwensieband het: fundamentele resonansie frekwensie Die transmissiespanningsreaksie by 1.15kHz is 127dB, alomrigting, en die transmissiespanningsreaksie van 800Hz tot 10kHz is groter as 120dB. Die FOMv-parameter word nie in die literatuur gegee nie, en dit word verwag om gelykstaande te wees aan of hoër as die 'stervormige' buigspanning-omskakelaar.

Bogenoemde ontwerp en ontleding vir die strewe na klein grootte en hoë krag begin basies vanaf die elektriese en meganiese grense, en neem slegs die energiedigtheid van funksionele materiale en die vibrasiegrens van die struktuur in ag. Wanneer die transducer lang pols of deurlopende werking vereis, sal die hitte en hitte-afvoer van die transducer die grootste probleem wees onder hoë kragtoestande. Op hierdie tydstip is die termiese limiet die hooffaktor wat die uiteindelike krag van die transducer beperk. Die termiese limiet van die transducer is een van die belangrike basiese kwessies wat betrokke is by ingenieurswese. Net soos die prosesbesonderhede van die transducer, is daar nie baie navorsingsartikels wat in die openbaar gerapporteer word nie. Daar is literatuur om die termiese probleme van lae-frekwensie- en hoëkrag-omskakelaars te modelleer en te ontleed, en om die termiese geleidingsprobleme van Janus-Helmholtz en Tipe IV buigspanning-omskakelaars te bespreek. Wanneer die omskakelaar in vlak water werk, veral lae frekwensie en hoë krag transmissie, sal die verhoging van die klank krag ook beperk word deur die akoestiese limiet van die kavitasie faktor. Onder hierdie agtergrond is die metode om die krag van 'n enkele transducer te verhoog nie meer effektief nie. Die basisskikking sal ook beperk word, sodat daar net een manier is om 'n yl basisskikking te vorm.

Daarom, by die ontwerp van lae-frekwensie- en hoëkrag-omskakelaars, is dit nodig om die strukturele vorm en dryffunksiemateriaal rasioneel te kies, met inagneming van faktore soos elektriese limiet, meganiese limiet, termiese limiet en akoestiese limiet, en maak algehele analise en omvattende optimalisering. Daar is 'n optimale verhouding tussen die limietkrag en die volume van die transducer. In-diepte navorsing hieroor sal in die toekoms een van die tegniese rigtings van laefrekwensie- en hoëkrag-omskakelaars wees.

 

⒋Tegnologiese innovasie om hidrostatiese drukweerstand te verhoog

Tans het die akademiese gemeenskap ontwikkelingsidees soos deursigtige oseane en geïnformatiseerde oseane voorgestel. Die doel is om onderwater inligtingstegnologie toe te laat om alle uithoeke van die see te dek, insluitend poolstreke en afgrond loopgrawe. Daarom stel hulle vereistes vir die gebruik van akoestiese onderwater-omskakelaars in groter diepte voor. Daag selfs die vermoë uit om in diep see te werk. Die hidrostatiese drukweerstandskapasiteit van die transducer is nou verwant aan die struktuur van die transducer, veral vir lae-frekwensie emissie-omskakelaars met lae strukturele styfheid. Die oplossing van die hidrostatiese drukweerstandstruktuurtegnologie het 'n belangrike onderwerp in die huidige transducer-tegnologie-veld een geword. Die huidige effektiewe metodes en middele om die werkdiepte op te los, sluit hoofsaaklik vloeistofvul, aanpasbare buispasvloeistofvul, natuurlike strukturele ondersteuning, hoëdruk gassilinderkompensasie, lugsakkompensasie, ens., by werkdieptes bo 1000m, die enigste effektiewe tegniese metode is vloeistofvultegnologie, insluitend Die vrye oorlooptipe gebruik direk seewater of vulsel-vloeistof-vloeimiddel om self-vulmiddels te vul as die vulsel van die vloeistof; binne 1000m, kan die drukbestande voldoeningsbuis terselfdertyd in die vloeistofholte gebruik word om die nakoming van die vloeistofholte te verbeter; Binne 200m kan die natuurlike ondersteuning van die struktuur hidrostatiese druk weerstaan. Sommige omskakelaars met baie lae strukturele rigiditeit (soos bewegende spoel-omskakelaars) kan hoëdruk lugsilinders gebruik om drukkompensasie te verskaf. Oor die algemeen, binne 100m, kan lugsakkompensasie gebruik word. Die holtestruktuur-omskakelaar wat hierbo bekendgestel is, kan oor die algemeen ontwerp word as 'n vloeistofgevulde werkmodus om diepwaterwerk te bewerkstellig. In hierdie afdeling word verskeie toepassingsvoorbeelde van oliegevulde struktuurontwerp gegee.

 

Kendig se navorsingswerk wat in 1965 gepubliseer is, gekombineerde aanwending van 4 PZT-4 piëzo-elektriese keramiekskyfgedrewe longitudinale transduktors, gevul met silikoonolie om die leemte wat tussen die staaldop (insluitend die klankoordragende rubberplaat) en die transducer gevorm word, te beskerm. Die holte is verbind met die agterste vloeistofkamer. Die voorkant klankdeurlaatbare rubber en die agterkant rubbervenster is in kontak met seewater om interne en eksterne drukbalans te bereik. Die werkbandwydte van die omskakelaar is 30-50kHz, en die werk binne die hidrostatiese drukreeks van 0-6.9MPa is eksperimenteel bestudeer. Kenmerkend, hierdie drukbalansmetode word steeds in baie diepwater sonarskikkings gebruik. Figuur 22b toon 'n vry oorloop toroïdale transducer met 'n olie-gevulde struktuur. Die piëzo-elektriese keramiekring is in 'n poliuretaan-rubberhuls opgehang, en die binnekant is gevul met silikoonolie om drukbalans met die buitewêreld te bereik. Die poliuretaan rubber huls is ideaal Klank-oordrag materiaal, hierdie soort transducer het soortgelyke werk eienskappe as die direkte infusie coating vorm van poliuretaan rubber. Vir PZT-4 ronde buis Φ 150mm ×Φ 140mm × 50mm, die simulasie-analise en eksperimentstudie van poliuretaanrubber in die frekwensiereeks van 5 ～ 10kHz Die materiaal van die huls word vervang met titaniumlegering of staal. As gevolg hiervan verminder die titanium-legering die emissiespanningsreaksie met ongeveer 6dB, en die staal verminder die emissiespanningsreaksie met ongeveer 12dB.

 

3. Gevolgtrekking

As ons kyk na die honderdjarige ontwikkelingsgeskiedenis van transducer-tegnologie, vanaf die geboorte van die eerste piëso-elektriese transducer tot die kragtige ontwikkeling van moderne transducer-tegnologie, het tegnologiese innovasies in onderwater akoestiese transducers gereeld na vore gekom. Die hoofdoelwitte van die innovasie en ontwikkeling van transducer-tegnologie sluit in: die vereenvoudiging van komplekse prosesse, die deurbreek van tegniese knelpunte, die herskryf van tegniese perke, die verbetering van omvattende tegniese werkverrigting, die voorstel van nuwe konsepte en nuwe meganismes, die generering en ontwikkeling van nuwe tegniese rigtings, en die verdieping en vervolmaking van die teorie van transducer dissiplines System en so aan. Hierdie artikel stel 'n paar navorsingsgevalle bekend wat die innoverende ontwerp en uitstekende vakmanskap van die transducer weerspieël uit die aspekte van nuwe materiaaltoepassing, nuwe transducer-struktuur en -tegnologie, ens.