التطورات الجديدة في السيراميك الانضغاطي المستخدم في محولات طاقة السونار تحت الماء

محول الطاقة هو جزء مهم من السونار. من منظور تاريخ الصوتيات المائية، فإن كل خطوة من خطوات تطوير الصوتيات تحت الماء لا يمكن فصلها عن تطور تكنولوجيا محولات الطاقة. نظرًا لأن محولات الطاقة الصوتية المائية تلعب دورًا رئيسيًا في الهندسة الصوتية تحت الماء، فقد استثمرت العديد من الدول المتقدمة بشكل كبير في البحث. من تاريخ تطور المعدات الصوتية تحت الماء، منذ بداية الحرب العالمية الأولى، يتكون محول الطاقة من نوع لانجفين من تم استخدام بلورات السيراميك الكهرضغطية والكتل المعدنية. وبعد العديد من عمليات استبدال المنتج، تم استخدام محولات الطاقة. لقد تم تحسين الأداء بشكل كبير. في العقدين أو الثلاثة عقود الماضية، بسبب الطلب العسكري، والتطور السريع للعلوم والتكنولوجيا، والتطوير المستمر وتطبيق مواد محولات الطاقة الجديدة، وتطبيق تحليل العناصر الانضغاطية المحدودة في تصميم محولات الطاقة، وأبحاث محولات الطاقة. واستنادا إلى النظرية الكلاسيكية والأساليب التحليلية، ظهرت العديد من المفاهيم والأساليب الجديدة. يواجه محول الطاقة الصوتي تحت الماء جولة جديدة من استبدال المنتج. محول الطاقة المخفف المغنطيسي العملاق، محول الطاقة الخزفي الانضغاطي الكهربائي عالي الأداء، مكبر الصوت المتجه، محول الطاقة المركب الكهرضغطي، مكبر الصوت PVDF ذي المساحة الكبيرة ذو التردد المنخفض، مكبر الصوت المائي بالألياف الضوئية، إلخ. وهو يمثل أحدث التطورات في أبحاث محولات الطاقة. ومن هذا الجانب يتطلع هذا المقال إلى آخر التطورات في محولات طاقة السونار تحت الماء.

محول التقبُّض المغناطيسي العملاق

في السبعينيات، اكتشف AE Clark أن السبائك الأرضية النادرة لها خصائص تقبُّض مغناطيسي فائقة. هذه السلالات القصوى الناجمة عن التأثيرات المغناطيسية أكبر من 6 إلى 20 مرة من تلك التي محول أنبوب كهرضغطية يستخدم في محولات الطاقة الصوتية تحت الماء، وكثافة الطاقة حوالي 10 إلى 20 مرة، وسرعة الصوت هي فقط 2/3 إلى 3/4 من السيراميك الكهرضغطي، ويتم تقديم مقارنة الأداء بين المواد الأرضية النادرة Terfenol2D والمواد الكهرضغطية التقليدية PZT-8 والنيكل. لذلك، في ظل نفس ظروف الحجم، يكون لمحول الطاقة الصوتي المائي Terfenol2D تردد رنين أقل بنسبة 2/3 إلى 3/4 من تردد الرنين لمحول الطاقة الصوتي المائي الخزفي الكهرضغطي. نظرًا لأن محول الطاقة المصنوع من مادة التقبُّض المغناطيسي العملاقة الأرضية النادرة Terfenol2D يتميز بخصائص قوة نقل كبيرة وحجم صغير ووزن خفيف وبيئة درجة حرارة عالية، فقد تم الحصول عليه في تطوير محول طاقة صوتي منخفض التردد منخفض جدًا تحت الماء. الاهتمام والتطبيق المناسب. في الثمانينيات، طورت الدول المتقدمة العديد من محولات الطاقة الأرضية النادرة وطبقتها في المجال العسكري. نجحت السويد في تطوير محولات طاقة أرضية نادرة منحنية بقدرة صوتية تبلغ 151 كيلووات مخصصة لكسح الألغام. بدأت الصين الأبحاث في التسعينيات، لكنها حققت تقدما سريعا. لقد نجحوا في تطوير محولات الطاقة الأرضية النادرة، ومحولات الطاقة الأرضية النادرة المطعمة، ومحولات الطاقة الأرضية النادرة ذات القضبان المركبة الطولية، وما إلى ذلك. الملامح الرئيسية لمواد Terfenol2D هي (1) المواد الهشة والتصنيع الصعب. (2) نظرًا لأن المواد الأرضية النادرة ليست مجرد مادة موصلة مغناطيسية ولكنها أيضًا مادة موصلة، فعندما يتغير المجال المغناطيسي الخارجي، فإن محول الطاقة الأرضي النادر. سيتم توليد خسائر التيار الدوامي في الداخل، وستكون الخسائر كبيرة عند الترددات العالية. بالمقارنة مع محولات الطاقة الخزفية الكهرضغطية، تحتاج محولات الطاقة ذات التقبُّض المغناطيسي العملاقة إلى حل مشكلات مثل التحيز المغناطيسي، والإجهاد المسبق، وفقدان التيار الدوامي، وتعويض المياه العميقة. في الوقت الحاضر، هناك بعض الحلول لهذه العيوب. لغرض حل مشكلة المواد الهشة وفقدان التيار الدوامي الكبير، تمت دراسة مادة التقبيق المغناطيسي العملاقة GMPC، ومسحوق Terfenol 2D، وخلط المواد الرابطة، وضغطها وتشكيلها بواسطة تعدين المساحيق. بالنسبة لتصميم محولات الطاقة المغناطيسية العملاقة، يعد هذا حلاً مفيدًا للاستفادة الكاملة من تشوهها الكبير وكثافة الطاقة العالية كمصدر إثارة لمحول الطاقة الانثناءي. يمكن استخدامه لعمل مجموعة متنوعة من الترددات المنخفضة والحجم الصغير وتحويل الطاقة العالية. إن الاختيار الصحيح للانحياز المغناطيسي والإجهاد المسبق وتقنيات تطبيق المواد الأرضية النادرة العملاقة ذات التأثير المغناطيسي لها تأثير كبير على أداء محول الطاقة. بشكل عام، يتم تحديد الانحياز المغناطيسي عند 1/3 قيمة التشبع المغنطيسي، ويتم اختيار الإجهاد المسبق من 7 ميجا باسكال إلى 10 ميجا باسكال للحصول على طاقة خرج كبيرة.

هيدروفونات الألياف الضوئية

بدأت تكنولوجيا الألياف الضوئية المائية في المختبر البحري الأمريكي في أواخر السبعينيات. يتميز هيدروفون الألياف الضوئية بمزايا الحساسية العالية، والقدرة القوية على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي، والمدى الديناميكي الكبير، والحجم الصغير والوزن الخفيف. Pzt4 نصف الكرة الكهرضغطية . لذلك، حظيت هذه التكنولوجيا بتقدير كبير بمجرد ظهورها، واعتبرت إحدى التقنيات الرئيسية للدفاع الوطني. بعد أكثر من 20 عامًا من التطوير، حققت تكنولوجيا الألياف الضوئية المائية تقدمًا كبيرًا في البلدان المتقدمة، وتم تقديم العديد من السماعات المائية ذات الألياف الضوئية. لقد أكملوا نظام مراقبة الصوت للغواصات ذو الألياف المائية بالكامل، ومجموعة الخطوط المقطوعة، والمصفوفة المتوافقة مع الغواصات وما إلى ذلك. وعلى وجه الخصوص، فتح التطوير الناجح لأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة عالمًا واسعًا من تطبيقات الألياف الضوئية. تتمتع تقنية الألياف الضوئية المائية أيضًا ببداية جيدة. كان أداء النموذج الأولي للوحدة قريبًا من المستوى الدولي أو وصل إليه، وتم إجراء أبحاث تكنولوجيا صفيف هيدروفونات الألياف الضوئية. إن تغلغل أبحاث السونار في تكنولوجيا الليزر سيفتح بلا شك صفحة جديدة في أبحاث السونار. تم تصميم جميع أنواع هيدروفونات الألياف الضوئية وفقًا لتأثير الموجة الصوتية لإجراء تعديل الطور أو تعديل شدة ضوء الألياف. وتنقسم الألياف إلى ألياف متعددة الأوضاع وألياف أحادية الوضع. يتكون هيدروفون الألياف الضوئية في الغالب من ألياف أحادية الوضع. نوع التداخل ونوع تعديل شدة الضوء. تحت تأثير ضغط الصوت، يتم توليد الضغط في قلب الألياف الضوئية لإحداث تغييرات في معامل الانكسار والطول. يؤدي هذان التغييران إلى تعديل طور انتشار الليزر في الألياف الضوئية. يستخدم هيدروفون الألياف الضوئية من نوع مقياس التداخل الألياف المتأثرة بمجال الصوت مثل الألياف الحساسة، ويتم فصل الآخر عن مجال الصوت. يتم استخدام الألياف ذات فرق الطور الثابت كالألياف المرجعية، والتي يتم وضعها على أذرع مقياس التداخل، والمحول الكهروضوئي. وبعد التوليف، يتشكل التداخل على سطح المضاعف الضوئي المستقبل، ويتم الكشف عن المعلومات الصوتية. نظرًا لأن الطول الموجي للضوء صغير جدًا، فإن الضغط الطفيف للإشارة الناتج عن ضغط الصوت لا يمثل تغييرًا بسيطًا فيما يتعلق بالطول الموجي للضوء، وبالتالي يسبب تغييرًا كبيرًا في شدة الضوء الناتج، وبالتالي فإن حساسية الهيدروفون من نوع تداخل الألياف عالية بشكل خاص. الأداء الفني الذي تحققه هيدروفونات الألياف الضوئية لمقياس تداخل الألياف هو كما يلي: حساسية جهد الاستقبال: - 140 ديسيبل (0 ديسيبل = 1 فولت/ميكروباسكال) حساسية الطور: 2.56 × 10 - 8 راد / ميكروباسكال. استجابة التردد: 16 هرتز ~ 10 كيلو هرتز (تموج ≥ 3 ديسيبل) الاتجاه: متعدد الاتجاهات (تموج ≥ 2.5 ديسيبل) بين جميع الشدة الهيدروفونات من النوع الشبكي، تعتبر الهيدروفونات من النوع الشبكي بمثابة كاشف صوتي جديد ومثبت وفعال تحت الماء. 

يتم التعبير عن الإخراج كتعديل مباشر لكثافة مجال الصوت الحادث. مبدأ عملها الرئيسي هو التسبب في الإزاحة النسبية للشبكتين بين مصدر الضوء الثابت ومستقبل الضوء تحت تأثير مجال الصوت، وكثافة الاستقبال هي دالة للإزاحة النسبية للشبكتين، بحيث يمكن تحويل مجال الصوت. لتعديل الكثافة. يتكون الهيدروفون الشبكي نفسه بشكل أساسي من دليلين موجيين بصريين (أو ألياف) محاذيين محوريًا مع وجود فجوة صغيرة والفتحات الموجودة في الفجوة التي تتحكم في النفاذية توفر تعديل الكثافة المطلوب. يوفر الهيدروفون جميع مزايا جهاز تعديل الكثافة المباشرة وهو غير مكلف. يمكن أن تحقق طريقة الشبكات حساسية عالية نسبيًا، كما أن الجهاز سهل التصنيع، دون أي تقنية بصرية متقدمة، وله نطاق ديناميكي يصل إلى 160 ديسيبل، ولديه القدرة على اكتشاف الإزاحة الناجمة عن الصوت أقل من 0.01 أمبير. بالإضافة إلى ذلك، بسبب الاختيار المرن لكثافة الشبكة والإزاحة والطاقة الضوئية وهيكل الهيدروفون، هناك مرونة أكبر في تصميم الحساسية والمدى الديناميكي والحجم ونطاق تردد التشغيل. بالنسبة إلى هيدروفونات الألياف الضوئية، فإن ضوضاء الطلقة الناتجة عن تقلبات التيار على الثنائي الضوئي هي المصدر الرئيسي للضوضاء وغالبًا ما يشار إليها باسم حد الضوضاء النظري. بالإضافة إلى ذلك، فإن محاذاة الشعاع وعزل الشعاع المرجعي وعزل اهتزاز المصدر لها تأثير مباشر على الأداء. أكبر عيب في هيدروفونات الألياف الضوئية هو تأثير درجة الحرارة الكبيرة.