نظرة عامة على تطوير محولات الطاقة الصوتية ذات التردد المنخفض في المياه العميقة

ومع تطور أبحاث المحيطات، هناك نطاق واسع من الطلب على محولات الطاقة التي يمكنها العمل في المياه العميقة. يتم تركيب محولات الطاقة في المياه العميقة في الغالب على أنواع مختلفة من المنصات القائمة بذاتها تحت الماء

يمكن للمنصة أن تستوعب حجمًا ووزنًا محدودًا بالإضافة إلى سعة إمداد الطاقة، ويلزم محول طاقة منخفض التردد لتلبية خصائص الحجم الصغير والوزن المنخفض والكفاءة العالية ومقاومة الضغط الهيدروستاتيكي العالي.

تعرض هذه الورقة التقدم البحثي لمحولات الطاقة ذات التردد المنخفض في المياه العميقة في الداخل والخارج، بما في ذلك الأنواع الشائعة من محولات الطاقة وخصائصها ومشاكل التنمية، كمرجع للباحثين في

المجالات ذات الصلة. 196 ديسيبل والوزن 2800 كجم؛ 65 هرتز صوت منخفض التردد للغاية. الحد الأقصى لمستوى المصدر للمصدر هو 203 ديسيبل والوزن 1900 كجم. عيبه الرئيسي هو أنه مقيد بالخصائص الهيكلية للقرص المنحني، ومن الصعب أن يصل عمق العمل إلى 1000 متر.

 

2.2 محول يانوس هيلمهولتز

يمكن أيضًا أن يُعزى محول الطاقة Janus-Helmholtz إلى نوع محول الطاقة Helmholtz. شكله النموذجي هو أن الهزاز الطولي مزدوج النهاية يثير أصدافًا أسطوانية صلبة عند كلا الطرفين، باستخدام تردد تجويف السائل وتردد الاهتزاز الشعاعي لتشكيل ذروة رنين مزدوجة. الجزء الرئيسي عبارة عن محول اهتزاز طولي يمكن أن يشع على كلا الجانبين (يسمى محول طاقة يانوس). يتم وضع زوج من تجاويف القشرة الأسطوانية على السطح الخارجي للرأس الإشعاعي لمحول يانوس، ويتم تشكيل المساحة المحاطة بالتجويف ومحول طاقة يانوس، ويتكون تجويف الرنين هيلمهولتز، والذي يعمل تحت إثارة الاهتزاز الطولي لمحول يانوس. هيكلها يمكن أن يعمل في المياه العميقة دون استخدام أجهزة تعويض الضغط. ، باستخدام اقتران وضع رنين التجويف السائل ووضع الاهتزاز الطولي، فهو يتميز بتردد منخفض ونطاق عريض وخصائص طاقة عالية، وفي الوقت نفسه له حجم صغير نسبيًا، وهو مناسب للاستخدام كمصدر صوت منخفض التردد في أعماق البحار. قامت IXBLUE بتطوير مجموعة متنوعة من محولات الطاقة Janus-Helmholtz ذات العمق الكامل JH250-6000، JH650-6000، إلخ. نطاق تردد العمل لمحول الطاقة JH250-6000 هو 200 هرتز-1050 هرتز، الحجم الإجمالي Φ 72*112 سم، الوزن 450 كجم، ومصدر الصوت المستوى أكبر من 196 ديسيبل; نطاق تردد العمل لمحول الطاقة JH650-6000 هو 580 هرتز -2020 هرتز، والبعد الخارجي هو Φ 45*61 سم، والوزن 90 كجم. مستوى مصدر الصوت أكبر من 196 ديسيبل؛ ومن عيوبه التقلبات الكبيرة في النطاق.

 

قامت العديد من الوحدات المحلية أيضًا بإجراء أبحاث ذات صلة على محولات الطاقة يانوس هيلمهولتز. هذا النوع من محولات الطاقة له حجم ووزن صغير نسبيًا للحصول على تأثير عمل منخفض التردد، ومن الناحية النظرية، لا يتغير أداء محول الطاقة مع العمق، وله احتمالية تطبيق جيدة. المشكلة الرئيسية هي أن وضع رنين تجويف السائل له قيمة Q عالية، مما يؤدي إلى منحنيات توصيل واستجابة حادة بالقرب من ذروة الرنين لتجويف السائل، وهو ما لا يفضي إلى تصميم الشبكة المطابقة وله تأثير معين على تشغيل النطاق العريض. أجرى معهد Hangzhou للصوتيات التطبيقية بحثًا حول مشكلات محولات الطاقة JH، وقام بتحسين فعال مشكلتي اقتران وضع الرنين لمحولات الطاقة التقليدية Janus-Helmholtz، وحسن عرض النطاق الترددي ونطاق تردد العمل لمحول الطاقة. تسطيح استجابة جهد الإرسال. يحتوي محول الطاقة النموذجي المنتج على نطاق تردد عمل يتراوح من 400 إلى 700 هرتز، وذروة تجويف سائل تبلغ 480 هرتز، وعرض نطاق استجابة جهد الإرسال (6 ديسيبل) أكبر من 200 هرتز، وأقصى مستوى لمصدر الصوت 205 ديسيبل. نطاق تردد العمل النموذجي عالي التردد نسبيًا هو 700 ~ 1400 هرتز، ذروة تجويف السائل 760 هرتز، عرض النطاق الترددي لاستجابة جهد النقل (6 ديسيبل) أكبر من 500 هرتز، والحد الأقصى لمستوى مصدر الصوت هو 200 ديسيبل.

 

2.3 محول يانوس هامر بيل

 

في عام 2013، تم إنتاج محول الطاقة للمياه العميقة، والذي يختلف تمامًا عن محول الطاقة JH التقليدي. وهو يشتمل على وجه التحديد على محول اهتزاز طولي مشع ثنائي الاتجاه وغطاء أسطواني صلب، يتم تركيبه على أسطوانة صلبة. على الكتلة المتوسطة. تكمن الآلية في اقتران وضع الاهتزاز الطولي المزدوج والوضع الحلقي (حلقتين من الألومنيوم). يؤدي الاهتزاز الطولي إلى دفع السائل الموجود في التجويف إلى الاهتزاز، مما يتسبب في رنين الغلاف الأسطواني الصلب. يقترن الوضع الطولي بالوضع الشعاعي للقذيفة. لتحقيق إشعاع النطاق العريض، يكون المستوى داخل النطاق غير اتجاهي بشكل أساسي. استخدم محول الطاقة هذا لتنفيذ تجربة انتشار الصوت لمسافات طويلة. يتم وضع محول الطاقة JHB على محور القناة (حوالي 1000 متر)، ويتم استخدام مصفوفة الاستقبال العمودية بـ 20 يوان لاستقبال إشارة 1000 كيلومتر بنجاح.

2.4 محول حلقة الفائض

 

يعد محول الطاقة ذو الحلقة الفائضة نوعًا شائعًا من محولات الطاقة في المياه العميقة في نطاقات التردد المتوسطة والمنخفضة. يتم إغلاق الأسطح الداخلية والخارجية للحلقة الخزفية بمواد مانعة لتسرب الماء (البولي يوريثين أو المطاط المفلكن). الضغط الهيدروستاتيكي على الهيكل متوازن ذاتيًا، ومن الناحية النظرية لا يقتصر عمق العمل على عمق الماء. في الوقت نفسه، يمكن للتصميم المعقول لحجم التجويف السائل لمحول الطاقة الحلقي أن يثير ذروة رنين تجويف السائل منخفض التردد ويتحد مع الرنين الشعاعي للمحول الحلقي نفسه لتحقيق تأثيرات عمل النطاق العريض متعدد الأوضاع. تعمل بشكل عام في نطاق التردد من 1 كيلو هرتز إلى 10 كيلو هرتز. بالنسبة لنطاقات التردد الأقل من 1 كيلو هرتز، يلزم عمل حلقات فسيفساء كبيرة الحجم، الأمر الذي يتطلب تقنية تجميع عالية. يحتوي محول الطاقة الدائري الفائض الذي تم الإبلاغ عنه في الخارج على نطاق تردد عمل يبلغ 250 هرتز - 1 كيلو هرتز ومصدر صوت. المستوى 197 ديسيبل، القطر 1 متر، الارتفاع 1.6 متر، والوزن حوالي 800 كجم.

lan 'التصوير المقطعي الصوتي في أعماق البحار المعيار الكامن'، وقد حقق نتائج أولية، ولكن لا يزال هناك مجال لمزيد من التحسين. نطاق تردد العمل للجهاز هو 400 هرتز ~ 550 هرتز، والحد الأقصى لاستجابة جهد الإرسال هو 132 ديسيبل، والحد الأقصى لمستوى مصدر الصوت هو 182 ديسيبل. استنادًا إلى مجموعتي أهداف التصوير المقطعي الصوتي للغواصات في أعماق البحار لمحول الطاقة هذا، التردد المنخفض (500 هرتز)، المياه العميقة (عمق محور القناة 1000 متر)، انبعاث الإشارة الصوتية على المدى الطويل (3 أشهر أثناء الخدمة) واستقبال الإشارة الصوتية على المظهر الجانبي الرأسي على عمق 300 متر ~ 1500 متر. في براءة اختراع نموذج المنفعة لمحول الطاقة المرن الفائض المطبق، يتم استخدام البلاستيك الرغوي الصلب كمادة مقاومة للضغط، وتردد الرنين هو 2.4 كيلو هرتز، واستجابة جهد النقل هي 126 ديسيبل. اقترحت جامعة هاربين الهندسية في براءة اختراع 'محول طاقة صوتي مرن تحت الماء في أعماق البحار مقلوب الطور'. من خلال تركيب أنابيب مقلوبة ذات طول موجي نصف على طرفي محول الطاقة المرن من النوع IV، يتم إشعاع الإشعاع الداخلي لمحول الطاقة المرن من النوع الفائض. مرحلة ضغط الصوت معكوسة بمقدار 180 درجة، مما يضبط مرحلة ضغط الصوت داخل غلاف الإشعاع الانثناءي، بحيث يكون ضغط الصوت المشع من الجانب الداخلي عند فوهة الأنبوب المقلوب في نفس طور ضغط الصوت المشع من خارج الغلاف الاهتزازي، متغلبًا على المشكلة التقليدية المتمثلة في انخفاض كفاءة الإشعاع لمحول الطاقة المرن من النوع الفائض. من خلال هذا التصميم، يحتوي محول الطاقة على ثلاثة أسطح مشعة في الطور، وهي السطح المشع للمكبس المستوي الإهليلجي عند كلا الطرفين والسطح المشع للقذيفة لمحول الطاقة المرن، مما يشكل وضع مصفوفة ثلاثي في ​​الطور، والذي يتيح نقل التوتر المرن. يشكل الجهاز اتجاهية على شكل رقم ثمانية مما يجعله يتمتع بخصائص الانبعاث الاتجاهي.

2.6 محول التردد المنخفض المعوض بالغاز

 

قامت شركة Alliant Techsystems الأمريكية بتطوير محول الطاقة الصوتية تحت الماء ذو ​​التردد المنخفض للغاية HX-554 لقياس الحرارة الصوتية لمناخ المحيط (ATOC) في الفترة 1993-1994. يتكون محول الطاقة من 10 مداخن كريستالية كهرضغطية بطول 1085 مم وعرض 119 مم وسمك 53 مم (كل كومة بلورية مصنوعة من 92 لوحة سيراميك كهرضغطية مربعة مرتبطة ببعضها البعض، ويتم إضافة جزء من المواد السلبية في منتصف الكومة البلورية) إلى دلو. هيكل على شكل، مع كيس قابل للنفخ بالداخل لموازنة الضغط الهيدروستاتيكي، ويمكن أن يصل عمق العمل إلى 1000 متر. يستخدم محول الطاقة اهتزازات ثني المكدس الكهرضغطية لإصدار موجات صوتية أفقية غير اتجاهية. تردد الرنين هو 75 هرتز، وعرض النطاق الترددي للعمل هو 57-92 هرتز، والحد الأقصى لمستوى مصدر الصوت هو 197 ديسيبل (طاقة الصوت 420 واط، نبض CW)؛ الحجم الكلي للمحول هو 2.06 طويلة. م، وقطرها 0.94 م، و2300 كجم في الهواء، و770 كجم في الماء، بالإضافة إلى الهيكل الداعم ونظام النفخ، ويبلغ الوزن الإجمالي 5500 كجم.

 

2.7 مصدر الصوت الهيدروديناميكي

يستخدم مصدر الصوت الذي يعمل بالسوائل محركًا هيدروليكيًا لتوليد الاهتزاز، ويتميز بخصائص انبعاث التردد المنخفض للغاية، وتردد العمل الواسع، وضربة العمل الطويلة، والدفع الكبير. يحتوي مصدر الصوت الهيدروليكي HLF-1 الذي طورته شركة Hydroacoustics على نطاق تردد عمل يتراوح من 20 هرتز إلى 2 كيلو هرتز، ويمكن أن يصل مستوى مصدر الصوت إلى 196 ديسيبل عند رنين 260 هرتز، ويبلغ الحد الأقصى لحجمه 1 متر. يحتوي مصدر الصوت الهيدروليكي HLF-4 المطور على مصدر صوت واحد بمستوى مصدر صوت يبلغ 206 ديسيبل عند تردد رنين يبلغ 57 هرتز وعرض نطاق يبلغ 14 هرتز. يتم استخدام 5 مصادر صوت لتكوين مصفوفة، وقد وصل مستوى مصدر الصوت إلى 221 ديسيبل. اشتهر في عام 1991. تم استخدام محول الطاقة هذا في اختبار قياس درجة حرارة المحيط في جزيرة هيرد، وكانت الإشارة الصوتية لها مسافة انتشار تبلغ 18,000 كم.

 

3 الاستنتاج

تتميز الأنواع المختلفة من محولات الطاقة ذات التردد المنخفض في المياه العميقة باختلافات كبيرة في الحجم والوزن والخصائص الصوتية العميقة. من المستحيل تلبية احتياجات أنواع مختلفة من معدات السونار بمحول طاقة واحد. على سبيل المثال، يتمتع محول الحلقة الفائضة بأداء جيد. استقرار المياه العميقة، واتجاهية تغطية المساحة الكاملة، وتأثير النطاق العريض أفضل، ولكن الحجم والوزن المقابلان كبيران نسبيًا؛ يحقق محول الطاقة JH تشغيل التردد المنخفض والنطاق العريض في حجم صغير نسبيًا، ولكن اتجاهه يتغير أكثر مع التردد. كبير، وغالبًا ما يكون هناك 'أودية' عميقة في نطاق التردد، مما له تأثير معين على تأثير الاستخدام الفعلي. وفقا للاحتياجات الفعلية للمشروع، ينبغي إيلاء الاعتبار الشامل لمتطلبات الملاءمة، ومستوى مصدر الصوت، والاتجاه، وتشغيل النطاق العريض، وما إلى ذلك، وينبغي اختيار النوع المناسب من محول الإرسال منخفض التردد في المياه العميقة.