نوع جديد من محولات الطاقة الصوتية تحت الماء والتكنولوجيا الجديدة لمحولات الطاقة

الموجات الصوتية هي الناقل الوحيد الذي يمتلكه الإنسان والذي يمكنه نقل المعلومات والطاقة لمسافات طويلة في المحيط الشاسع. وعلى الأرض، يستخدم الناس الموجات الكهرومغناطيسية لتطوير الرادارات. وبالمثل، يستخدم الناس الموجات الصوتية كحاملات معلومات لتطوير أهداف تحت الماء للكشف عنها، ومعدات إلكترونية لتحديد المواقع وتحديد الهوية والسونار للاتصالات. في مواجهة المحيط الشاسع، تقع على عاتق السونار مهمة مهمة تصل إلى جميع أركان المحيط الشاسع، وتتعرف على الأشياء المختلفة فيه، والتي تخبر الناس الوجه الحقيقي للعالم تحت الماء، وتساعد الناس في استكشاف أسرار المحيط، لتصبح الملاحة الاتصالات تحت الماء، ومصايد الأسماك المائية، وتنمية الموارد البحرية، والجيولوجيا البحرية واستكشاف الجيومورفولوجيا، والسبب في أن الموجات الصوتية أصبحت أفضل ناقل للمعلومات تحت الماء هو أنه في الوسائط المائية، تتمتع الموجات الصوتية بأصغر معامل توهين مقارنة بالمجالات الفيزيائية الأخرى مثل الموجات الكهرومغناطيسية، ويمكن أن تنتقل لمسافات طويلة. وهذه الميزة تجعل السونار يستخدم الموجات فوق الصوتية للمراقبة تحت الماء منذ البداية. يبدأ الهدف ويستمر في التطور. في الوقت الحاضر، تم توسيع نطاق تردد عمل السونار إلى نطاق واسع. تم تمديد السونار النشط من عشرات هرتز إلى عشرات ميجا هرتز، وتم تمديد نهاية التردد المنخفض للسونار السلبي إلى نطاق الموجات فوق الصوتية. في مثل هذا النطاق الترددي الواسع، وفقًا للوائح، فإن الجهاز المهم الذي يحفز ويولد موجات صوتية على شكل إشارات واستشعارات ويستقبل الموجات الصوتية في الماء دون تشويه يسمى محول السونار أو مصفوفة السونار. هذه الأجهزة هي المعدات الأمامية لنظام السونار، وكذلك 'نافذة' نظام السونار للتفاعل مع وسط الماء وتبادل المعلومات، وهي 'محققات' لوظائف نظام السونار، لمحولات طاقة السونار أو صفائف السونار، ويشار إليها بشكل واضح باسم 'عيون وآذان' نظام السونار. مع التوسع المستمر في مجال تطبيق تكنولوجيا السونار والطلب المتزايد باستمرار على المواجهة العسكرية والقتال، ظهرت مبادئ جديدة وتقنيات جديدة ومعدات السونار الجديدة واحدة تلو الأخرى. لقد دفعت متطلبات تطوير تكنولوجيا السونار الجديدة التطور السريع لتكنولوجيا محولات الطاقة، ونفس الاختراقات التكنولوجية في مجال محولات الطاقة وتطوير مواد جديدة وآليات جديدة وهياكل جديدة من كما أن محولات الطاقة الصوتية تحت الماء جعلت نظام السونار 'منعشًا'. فيما يلي نظرة عامة مختصرة على حالة تطور تكنولوجيا محولات الطاقة في السنوات الأخيرة بناءً على المعلومات التي يمتلكها المؤلف ومستوى الفهم المحدود. ويشمل بشكل أساسي محول الطاقة الصوتية المائية للمواد الجديدة، والهيكل الجديد وآلية جديدة لمحول الطاقة الصوتية المائية، ونوع جديد من الهيدروفونات، وتكنولوجيا محول الطاقة ذات النطاق العريض وما إلى ذلك.

 

2 مادة جديدة لمحول الطاقة الصوتية تحت الماء

 

محول الطاقة هو جهاز يحقق تحويل الطاقة في نظام السونار. يوجد في محول الطاقة مادة خاصة لها القدرة على تحويل الطاقة. تسمى هذه المادة بالمواد الوظيفية. تشتمل المواد الوظيفية المستخدمة في تصنيع محولات الطاقة بشكل أساسي على المواد الكهرضغطية (مثل البلورات الكهرضغطية، والسيراميك الكهرضغطي، والبوليمرات الكهرضغطية، وما إلى ذلك) والمواد المقترنة بالمغناطيس (مثل النيكل، والكوبالت، وسبائك الحديد والنيكل، والفريت، وسبائك الحديد الأرضية النادرة، وما إلى ذلك). يتم تحديد اختراق تكنولوجيا محولات الطاقة بشكل أساسي من خلال التقدم التكنولوجي للمواد الوظيفية. في السنوات الأخيرة، أدت الإنجازات التقنية المختلفة في مجال المواد الوظيفية أيضًا إلى فجر تطوير تكنولوجيا محولات الطاقة. اكتشف الطبيب أن المواد الأرضية النادرة اللانثانيد لها خصائص تقبُّض مغناطيسي مذهلة، لكنها لم تستخدم عمليًا لأن نقطة الكوري أقل من درجة حرارة الغرفة. لاحقًا، تم اكتشاف أن السبائك الثنائية أو الثلاثية أو الرباعية المكونة من عناصر أرضية نادرة والحديد لها أيضًا خصائص تقبُّض مغناطيسي عملاقة في درجة حرارة الغرفة. سبيكة الأرض النادرة الأكثر تمثيلاً هي Terfenol-D (التركيبة هي Tb0.27Dy0.73Fe1). 95)، لقد أصبح نوعًا جديدًا من المواد الوظيفية التي جذبت الكثير من الاهتمام منذ الثمانينيات. الاسترخاء الكهروضوئي أحادي البلورة تيتانات الرصاص المغنيسيوم نيوبات الرصاص (PMN-PT) وتيتانات الرصاص نيوبات الرصاص الزنك (يشار إليها باسم PZN-PT) هي أنواع جديدة من المواد البلورية البيروفسكايت المركبة، كما أنها تظهر أيضًا فئة من المواد الوظيفية الجديدة مع آفاق تطبيق كبيرة. قبل ذلك، كان النيكل يستخدم عادة كمادة لمحولات الطاقة. في عام 1917، صنع العالم الفرنسي لانجفين محول سونار باستخدام بلورة الكوارتز، مما يمثل سابقة لتطبيق المواد الكهروضغطية في السونار في أربعينيات القرن العشرين، وتم تطوير سيراميك BaTiO3 pzt ذو الخصائص الكهرضغطية القوية بنجاح وتم استخدامه على نطاق واسع في أنظمة السونار. يتمتع السيراميك الكهرضغطي PZT الذي تم تطويره في الخمسينيات من القرن الماضي بنطاق واسع من درجات حرارة التشغيل وخصائص كهروميكانيكية ممتازة. تعوض كفاءة التحويل النقص في سيراميك Ba TiO3 وأصبحت المادة المفضلة لمحولات الطاقة الصوتية تحت الماء. من بينها، مادة السيراميك الكهرضغطية ذات كثافة الطاقة العالية هي PZT-8. مقارنة بسيطة للمواد المذكورة أعلاه: Terfenol-D، PMN-PT، PZN-PT يمكن أن تنتج سلالة حوالي 5 أضعاف PZT-8 و50 مرة من النيكل؛ الثوابت الكهرضغطية لـ PMN-PT وPZN-PT هي d33. إنها 6-8 أضعاف مادة PZT-8. يعد استخدام مواد pzt هذه لتطوير محولات طاقة صوتية جديدة تحت الماء أحد الموضوعات الساخنة الحالية.

 

مادة مقيدة مغناطيسيًا يعد محول الطاقة الصوتي تحت الماء الأسطواني أمرًا نادرًا ، حيث تستخدم المواد المغناطيسية الأرضية العملاقة تأثيرًا مغناطيسيًا لتحقيق التحويل المتبادل بين طاقة المجال المغناطيسي والطاقة الميكانيكية ، ويستخدم بشكل أساسي لتطوير محولات الطاقة الصوتية ذات التردد المنخفض تحت الماء وعالية الطاقة. إنه نوع من البنية 'المعقدة' لمحول الطاقة الصوتي المائي فائق التوصيل ذو درجة الحرارة العالية. من منظور هيكل محول الطاقة، فإن هيكله بسيط للغاية. إنه محول طولي مزدوج عادي. يشير ما يسمى بـ 'المعقد' هنا إلى دلالته المادية الغنية. إن القوة المغناطيسية لمواد السبائك الأرضية النادرة عند درجة حرارة منخفضة أكبر من تلك الموجودة في درجة حرارة الغرفة. على سبيل المثال، يبلغ الحد الأقصى لسلالة التقبُّض المغناطيسي Tb0.6Dy0.4 عند درجة حرارة 77 كلفن 0.65%، بينما يكون Terfenol-D في درجة حرارة الغرفة. أعلى سلالة تقبُّض مغناطيسي هي 0.25%. تم تطوير محول طاقة صوتي مائي مغنطيسي Tb0.6Dy0.4 مع نطاق درجة حرارة 50-60K: يتم وضع المواد على شكل قضيب من السبائك الأرضية النادرة في غرفة تكييف الهواء، ويتم تبريد برج التبريد في الثلاجة دوريًا، ويتم توفير غرفة تكييف الهواء بواسطة ملف مادة فائقة التوصيل. يثير المجال المغناطيسي المتحيز والمجال المغناطيسي المثير قضيب التقبيق المغناطيسي لإنتاج اهتزاز ممتد، والذي ينتقل إلى السطح المشع من نوع المكبس من خلال قطعة الانتقال الميكانيكية، ويدفع السطح المشع من نوع المكبس وسط الماء لتوليد إشعاع موجة الضغط. تم تصميم غرفة مفرغة في الهيكل لعزل التوصيل الحراري. الجدار الخارجي لغرفة التفريغ عبارة عن غطاء مقاوم للضغط على شكل قبة، يمكنه تحمل ضغط يصل إلى 10 أجواء. المعلمات التقنية الرئيسية هي كما يلي: تردد الرنين 430 هرتز، الحد الأقصى لمستوى مصدر الصوت 181.4 ديسيبل، الكفاءة حوالي 25%. عملية تصنيع هذا النوع من محولات الطاقة معقدة. في السنوات الأخيرة، لا يزال الناس على استعداد لاستخدام مادة terfenol-D التي تعمل في درجة حرارة الغرفة، والتخلي عن بعض الانفعالات المغناطيسية، واستبدالها ببنية جديدة لتحقيق أداء إشعاعي ممتاز. فيما يلي مقدمة موجزة عن التقدم البحثي للعديد من المواد الهيكلية المغناطيسية في محولات الطاقة الصوتية تحت الماء. محول الطاقة الطولي لديه بنية بسيطة. يتم دمج قضيب التقبيق المغناطيسي مع الرأس المشع الأمامي وكتلة الذيل لتشكيل نظام اهتزاز مماثل أحادي البعد. يتكون رأس الإشعاع الأمامي بشكل عام من مواد خفيفة الوزن، وكتلة الذيل مصنوعة بشكل عام من مواد كثيفة لتحقيق سطح مشع. إخراج إزاحة اهتزاز أكبر. تم تقديم اثنين من محولات الطاقة الطولية التي تم تطويرها باستخدام مواد Terfenol-D. أحدهما عبارة عن محول طاقة طولي عام بتردد رنين يبلغ 1200 هرتز، وقوة صوت تبلغ 3 كيلووات، ووزن محول طاقة يبلغ 60 كجم؛ والآخر هو قضيب الأرض النادرة في كلا الطرفين. تم تصميمه كمحول طاقة طولي مشع مزدوج الشكل على شكل قرن، ويبلغ تردد الرنين 400 هرتز، وقوة الصوت 1.5 كيلو واط، ويصل وزن محول الطاقة إلى 100 كجم. محول الطاقة على شكل حلقة: مضلع منتظم محاط بعدد من القضبان الأرضية النادرة، وسلسلة من الأسطح القوسية الدائرية تثار بواسطة القطعة الانتقالية لتحدث اهتزازات شعاعية لتحقيق إشعاع صوتي عالي الطاقة. تم تطوير سلسلة من محولات الطاقة الحلقية عالية الطاقة ذات التردد المنخفض الأرضية النادرة بما في ذلك محولات الطاقة بتردد الرنين 200 هرتز (القطر الداخلي 0.56 م، القطر الخارجي 0.94 م، الارتفاع 0.37 م، مستوى مصدر الصوت 193 ديسيبل، الوزن 410 كجم) ومحول الطاقة بتردد الرنين 30 هرتز (القطر 2 م، الارتفاع 1.1 م، مصدر الصوت) المستوى 195 ديسيبل، الوزن 5 طن). محول الطاقة المرن هو نوع من محول الطاقة الذي يستخدم الاهتزاز الطولي لمكدس السيراميك الكهرضغطي أو قضيب التقبيق المغناطيسي لإثارة سطح الإشعاع (أو شعاع البرميل) مع تأثير تضخيم السعة لاهتزاز الانحناء. يتم سرد العديد من محولات الطاقة شائعة الاستخدام. أنواع محولات الطاقة المرنة، من بينها I وII وIII لها نفس الخصائص. يثير قضيب الاهتزاز الطولي غلافًا منحنيًا متناظرًا دورانيًا. يمكن أن تكون القشرة عبارة عن هيكل مستمر أو هيكل مقطوع إلى مجموعة من الحزم. استخدمت بورسيل مادة Terfenol-D لتطوير محول شد وثني شعاع أسطواني مقعر (النوع III)، بتردد رنين 1300 هرتز، ومستوى مصدر صوت 188.7 ديسيبل، وعرض نطاق 600 هرتز. نظرًا لاستخدام دائرة مغناطيسية مفتوحة بقضيب واحد، فإن تردد الرنين هو الحد الأقصى للكفاءة الكهروصوتية للتيار المتردد بنسبة 7% فقط، ويبلغ وزن محول الطاقة 2.7 كجم. تتميز محولات الطاقة المرنة ذات شفة السمكة بخصائص مشتركة. يتم تحفيز محول الطاقة بواسطة قضيب اهتزاز طولي لثني الغلاف الإهليلجي المحدب أو المقعر لتحقيق إشعاع عالي الطاقة. يعتمد محول الطاقة المرن ذو شفة السمكة تأثير تضخيم السعة. تأثير الترجيح مع المساحة يزيد من قوة الإشعاع الصوتي. تم الإبلاغ عن هذا النوع الجديد من محولات الطاقة الصوتية عالية الطاقة منخفضة التردد تحت الماء، بما في ذلك تردد الرنين 210 هرتز و450 هرتز و800 هرتز و1200 هرتز، وتُستخدم نتائج البحث لهذا النوع الجديد من محولات الطاقة حاليًا في صفائف السونار النشطة منخفضة التردد والأنظمة الصوتية مثل مصادر الصوت المستهدفة وأجهزة محاكاة الضوضاء.

 

الاسترخاء المواد الكهروضوئية محول الطاقة الصوتية تحت الماء

 

تعتبر مواد الاسترخاء الكهروضوئية نوعًا من المواد الوظيفية المحتملة، والتي يمكن تقسيمها إلى أنواع السيراميك الكهربي وأنواع البلورات المفردة العازلة الكهروضوئية. تعد عملية تصنيع البلورات المفردة الكهروضوئية المرخية أكثر تعقيدًا بكثير من عملية تصنيع المواد الخزفية الكهربائية. وقد استخدم الباحثون هذه المواد لصنع أنواع عديدة من محولات الطاقة، مثل محولات الطاقة الانثناءية، ومحولات الطاقة الطولية، وما إلى ذلك. تعد تكنولوجيا تصنيع محولات الطاقة لهذا النوع من المواد أكثر تعقيدًا، ومن الضروري إضافة مجال كهربائي متحيز للتيار المستمر، وتطبيق الإجهاد المسبق، والتحكم في درجة حرارة العملية. استخدام PMN-PT-BT (تيتانات الرصاص - تيتانات الباريوم - تيتانات المغنيسيوم - الرصاص) أدى إلى تطوير محول الطاقة المرن من النوع الرابع. تظهر نتائج البحث أن محول الطاقة الذي تم تطويره لم يقم بتعظيم إمكانات المادة. سيظل هذا العمل أحد النقاط الساخنة التي يجب استكشافها في مجال محولات الطاقة الصوتية تحت الماء لفترة من الوقت. استخدام مادة الكريستال المفردة الكهروضوئية PMN-PT لدراسة 64 قناة من مسبار الموجات فوق الصوتية 3.5 ميجاهرتز، المستخدم في معدات التصوير بالموجات فوق الصوتية الطبية بالموجات فوق الصوتية ودوبلر الملونة، مما يشير إلى أن مادة الكريستال المفردة الكهروضوئية المرخوة في سونار الصور عالي التردد.

 

فيلم بوليمر كهرضغطية يمكن تحويل محول الطاقة الصوتي الكروي تحت الماء إلى غشاء مرن، ويمكن تصميم محول الطاقة بأي شكل عند صنع محول الطاقة، وتكون المعاوقة الصوتية للمادة منخفضة، ومن السهل تحقيق مقاومة مع الماء والوسائط السائلة الأخرى والأنسجة البيولوجية. المطابقة، غالبًا ما تستخدم لصنع هيدروفونات قياسية عالية التردد، ومحولات الطاقة عالية التردد، ومحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الطبية، والمصفوفات المطابقة، ومصفوفات محولات الطاقة المركبة المتنوعة، والبوليمر الكهروإجهادي الشائع الاستخدام لصنع محولات الطاقة هو بشكل أساسي فلوريد البولي فينيلدين (PVDF). في الوقت الحاضر، يعد فيلم مادة البوليمر الكهرضغطية الأكثر لفتًا للنظر EMFi (اختصار للفيلم الميكانيكي الكهربائي)، نوعًا من الأفلام المرنة المصنوعة من رغوة البولي بروبيلين، ويبلغ ثابته الكهرضغطي حوالي 10 أضعاف ثابت PVDF، والذي يمكن استخدامه لصنع محولات طاقة عالية الحساسية. يحتوي هيكل محول الطاقة ذو الأغشية الرقيقة EMFi على قطر سطح استقبال يبلغ 35 مم، وحساسية استقبال محول الطاقة أكبر من -190 ديسيبل (القيمة المرجعية هي 1 فولت/μPa). يمكن أيضًا استخدام هذا النوع من محولات الطاقة في الهواء لاستقبال أو إصدار موجات صوتية.

 

مقدمة للهيكل الجديد لمحول الطاقة الصوتية تحت الماء وآليات النقل المختلفة. تعتبر المواد الوظيفية مهمة في محول الطاقة، ولكنها تحتاج إلى أن يتم تشغيلها بواسطة هيكل مناسب. ولذلك، يبدو أن التصميم الهيكلي لمحول الطاقة له أهمية خاصة في تطوير تكنولوجيا محول الطاقة. مهم. وفقًا لمجالات التطبيق المختلفة والمتطلبات الفنية المختلفة، أو وفقًا لخصائص آليات النقل المختلفة والمواد الوظيفية، ظهرت أنواع مختلفة من محولات الطاقة الواحدة تلو الأخرى، والعديد منها يجمع بين تقنيات متعددة التخصصات لكسر أرضية جديدة بشكل مشترك الصعوبات التقنية لتلبية بعض المتطلبات الفنية الخاصة. يعد محول الطاقة الصوتي المائي الفائق التوصيل المغناطيسي ذو درجة الحرارة العالية مثالًا نموذجيًا. في المحتوى السابق لهذه المقالة وأنواع محولات الطاقة التي سيتم تقديمها لاحقًا، هناك العديد منها أيضًا هياكل جديدة وآليات جديدة لمحولات الطاقة الصوتية تحت الماء. ومن أجل عدم التكرار، يذكر هذا القسم فقط مثالين آخرين لتصميم الهياكل الجديدة.

 

محول الطاقة من النوع الصنجي (الصنج) هو نوع من محولات الطاقة ذات البنية الجديدة المشابهة لمحول الطاقة المرن. يتكون كل محول من النوع الصنجي من زوج من أقراص السيراميك الكهرضغطية PZT وغطاء معدني واحد مربوط معًا. يطبق قرص السيراميك الكهروضغطي PZT جهدًا متناوبًا لتوليد اهتزاز شعاعي لإثارة الغطاء المعدني من أجل اهتزاز الانحناء، وينتج الغطاء المعدني المرتفع لمحول الطاقة اهتزازًا متناوبًا لـ 'انكماش التمدد'. الموجات الصوتية الإشعاعية. عندما تعمل نفس موجة الضغط المتناوب على الغطاء المعدني، سيتم نقل الضغط إلى القرص الخزفي الكهرضغطي PZT، ويتم إخراج الجهد المتردد عند قطبي القرص الخزفي، والذي يستخدم كمحول استقبال. تردد الرنين لمحول الطاقة من النوع الصنجي في الماء هو 16.1 كيلو هرتز، واستجابة جهد الانبعاث 130 ديسيبل (القيمة المرجعية هي 1μPa/V، عند 1 متر). ويبين الشكل 5 أيضًا صورة المصفوفة المكونة من 9 عناصر والتي تتكون من هذا النوع من محولات الطاقة. . في محول الطاقة الكهرضغطية منخفض التردد من النوع اللولبي، تتم معالجة السيراميك الكهرضغطي إلى شكل زنبركي لولبي (كما هو موضح في الشكل 6)،يتم استقطاب محول الطاقة الخزفي الكهرضغطي في الاتجاه العرضي، ومن ثم يتم إنشاء زوج قطب كهربائي مثير. يتم فصل القسم المحايد الذي لا يحتوي على أقطاب كهربائية في المنتصف ليشكل زوج قطب كهربائي للحلقة الخارجية 1 وزوج قطب كهربائي للحلقة الداخلية 2 (انظر الرسم التخطيطي الموسع لجزء صغير في الشكل 6). بهذه الطريقة، يتم تطبيق جهد الإثارة V على زوج القطب، وجزء السيراميك الكهرضغطي الذي يتحكم فيه زوج القطب الكهربائي ذو الحلقة الخارجية وزوج القطب الكهربائي ذو الحلقة الداخلية سوف ينتج اهتزازات معاكسة (تمديد أو انكماش)، وحركة التمدد والانكماش لنظام الزنبرك سوف تدفع سطح عمل المكبس إلى اهتزاز الطاقة الصوتية. نظرًا للصلابة المنخفضة لهذا الهيكل، فهو يحتوي على تردد رنين منخفض ويمكن استخدامه كمحول إرسال منخفض التردد. عند استخدامه كجهاز استقبال، فإنه يتمتع أيضًا بحساسية عالية في نطاقات التردد المنخفض. بدءاً من المعادلة الكهروضغطية، تم الحصول على علاقة التحويل الكهروميكانيكية لهذا النوع من محولات الطاقة، وتم إجراء بعض الأعمال البحثية الاستكشافية.

 

مقدمة لآليات تحويل الطاقة المختلفة في محولات الطاقة الصوتية تحت الماء من منظور تحويل الطاقة، يمكن تقسيم محولات الطاقة بشكل أساسي إلى محولات طاقة كهرضغطية تستخدم التأثير الكهروضغطي لتحقيق تحويل الطاقة ومغناطيسات تستخدم تأثير التقبُّض المغناطيسي لتحقيق تحويل الطاقة. محولات الطاقة القابلة للسحب، محولات الطاقة المشاركة في المحتوى السابق تنتمي إلى هذين النوعين.