تقدم البحث وفرص التطوير لتكنولوجيا محولات الطاقة الصوتية تحت الماء

تعتبر الموجات الصوتية هي الناقل الوحيد للمعلومات الذي يمكنه السفر لمسافات طويلة في المحيط. إن الأبحاث البحرية وتنمية الموارد والصراعات العسكرية البحرية كلها لا يمكن فصلها عن التكنولوجيا الصوتية تحت الماء. يتطلب تطوير التكنولوجيا المائية الصوتية أنواعًا مختلفة من محولات الطاقة الصوتية المائية لتوفير الدعم، ومهمة محولات الطاقة الصوتية المائية هي إرسال واستقبال الموجات الصوتية تحت الماء، لذلك تُعرف محولات الطاقة الصوتية المائية باسم 'عيون وآذان المعدات الصوتية المائية. يتضمن تطوير محولات الطاقة الصوتية المائية بشكل أساسي تطبيق مواد جديدة، واعتماد عمليات جديدة، وتصميم هياكل جديدة لتحقيق تحسين وتعزيز الأداء الفني الشامل لمحول الطاقة. الطلب من مجال التكنولوجيا الصوتية المائية هو التطوير المباشر لمحولات الطاقة الصوتية المائية. وتركز هذه المقالة على نتائج البحوث المحلية لمحولات الطاقة الصوتية تحت الماء في السنوات العشرين الماضية، بما في ذلك التطورات الجديدة في محولات التردد المنخفض، ومحولات النطاق العريض عالية التردد، ومحولات الطاقة في المياه العميقة، والهواتف المائية الموجهة، ناقش بإيجاز التحديات وفرص التطوير التي تواجهها التكنولوجيا الصوتية الحالية تحت الماء. تكنولوجيا محول.

 

ال محول الطاقة الصوتي تحت الماء هو نوع من أجهزة الاستشعار التي تحقق تحويل الصوت وأشكال الطاقة أو المعلومات الأخرى في وسط الماء؛ محول الطاقة الصوتي تحت الماء هو المعدات الأمامية لنظام السونار، وهو أيضًا التفاعل بين نظام السونار ووسط الماء لتبادل المعلومات. window'. يتضمن مجال البحث والتطوير في تكنولوجيا محولات الطاقة الصوتية تحت الماء تكامل تخصصات متعددة، وتشمل التخصصات المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بشكل أساسي: الفيزياء، وعلوم المواد، والرياضيات، والميكانيكا، والإلكترونيات، والكيمياء، والميكانيكا، وما إلى ذلك، لذا فإن تطوير محولات الطاقة الصوتية تحت الماء يرتبط ارتباطًا وثيقًا بإنجازات التخصصات الأساسية الأخرى، وفي الوقت نفسه يقتصر على تطوير مختلف التخصصات ذات الصلة. انطلاقًا من عقود من تاريخ تطوير محولات الطاقة الصوتية المائية في بلدي، فإن أكبر دافع للتنمية يأتي من متطلبات التطبيق في مجال التكنولوجيا الصوتية المائية، ولكن حتى نهاية القرن العشرين، كان تطوير تكنولوجيا محولات الطاقة الصوتية المائية في بلدي يفتقر إلى الطبيعة الشاملة والمنهجية.

 

1.1 التقدم البحثي لمحولات الطاقة ذات التردد المنخفض

استجابة للاحتياجات الملحة لنقل المعلومات بعيدة المدى تحت الماء وتطوير كشف الغواصات فائقة التخفي، أصبحت محولات الطاقة ذات التردد المنخفض واحدة من أكثر النقاط الساخنة اهتمامًا في مجال محولات الطاقة الصوتية تحت الماء منذ القرن الحادي والعشرين. تم تخفيض نطاق تردد العمل للسونار الأجنبي للكشف والاتصال طويل المدى إلى حوالي 100 هرتز. تشتمل محولات الطاقة ذات التردد المنخفض على العديد من المشكلات النظرية والتقنية، والتي لم يتم حلها بشكل جيد في الوقت الحاضر، وسيظل هذا الجانب هو نقطة البحث الساخنة ومحط الاهتمام في التطوير المستقبلي. يختار هذا القسم العمل البحثي لمحولات الطاقة منخفضة التردد لاهتزاز الانحناء ومحولات توتر الانحناء، ويلخص الإنجازات التكنولوجية الجديدة.

 

1.1.1 محول الاهتزاز منخفض التردد

المشكلة التقنية الأولى التي يواجهها تطوير محولات الطاقة ذات التردد المنخفض تحت الماء هي الحجم الهندسي. بشكل عام، تردد عمل محولات الطاقة الرنانة يتناسب عكسيًا مع الحجم الهندسي. وهذا يعني أنه كلما انخفض تردد محول الطاقة، كلما زاد الحجم الهندسي. يمكن للاهتزاز أن يقلل بشكل فعال الحجم الهندسي لمحولات الطاقة ذات التردد المنخفض. تشتمل التصميمات الجديدة لمحولات طاقة الاهتزاز الانثناءية منخفضة التردد في الصين في العشرين عامًا الماضية بشكل أساسي على محولات الطاقة ذات الشعاع المنحني ومحولات الطاقة ذات الأقراص المنحنية.

 

(1) محول شعاع الانحناء. تصميم محول شعاع ناتئ أسطواني النطاق العريض الارسال (الشكل 1A). يجمع تصميم الهيكل بين خصائص التردد الوسائطي المنخفض للاهتزاز الانثناءي وطريقة اقتران الاهتزاز متعدد الوسائط لتوسيع نطاق التردد. تشاي يونغ وآخرون. يقترح محول حلقة اقتران أنبوب الشعاع (الشكل 1 ب). من خلال إضافة شعاع منحني إلى محول الطاقة المرصع على شكل حلقة لتشكيل هيكل اقتران شعاع الأنبوب، يتم زيادة وضع العمل الفعال. استخدم أداة التوصيل متعددة الأوضاع لتحقيق خصائص التشغيل ذات التردد المنخفض وواسعة النطاق. تم اعتماد هيكل الفائض، وتم التحقق من قدرته على تحمل الضغط الهيدروستاتيكي من خلال التطبيق الفعلي لمعيار الغمر في أعماق البحار 3000 متر. شو وآخرون. اقترح اثنين من مخططات التصميم ل أجرت محولات الطاقة ذات التردد المنخفض الأسطوانية (الشكل 1 ج و د)، سلسلة من عمليات المحاكاة، وأعطت منحنيات استجابة الانبعاثات مدفوعة بمواد التقبُّض المغناطيسي الجديدة Terfenol-D وGalfenol. إنه يوضح إمكانات هيكل محول الطاقة لتطبيقات التردد المنخفض للغاية.

الشكل 1 تصميم جديد لمحول الطاقة منخفض التردد للشعاع المنحني (أ)، 0 عبارة عن شعاع ثابت، و1-5 عبارة عن عوارض أسطوانية بسماكات مختلفة

(3) محول القرص المنحني. يتضمن محول القرص المنحني هياكل ثلاثية الكومة ومزدوجة الكومة وما إلى ذلك. يوضح الشكل 2 أ محول القرص المنحني المدمج الذي يتكون من زوج من التصفيحات المزدوجة. العمل البحثي الأجنبي ناضج نسبيا. يتم إجراء بحث متعمق حول هذا الهيكل الأساسي لمحول الطاقة القرصي المنحني. وانطلاقًا من هذا الهيكل الأساسي، ومن خلال تصميم غرفة السائل وتحسين وضع القيادة، تم إنتاج بعض التصميمات الجديدة]. الشكل 2 ب عبارة عن محول قرصي منحني مدفوع بحلقة فسيفساء. يستخدم تصميم الشكل 2ج محولات القرص المنحني بأحجام مختلفة لتشكيل مصفوفة، ويستخدم أساليب قيادة مختلفة لتحقيق تشغيل النطاق العريض. الشكل 2 د هو محول القرص المنحني مع هيكل تجويف الفائض. يتم تعديل حجم تجويف السائل بشكل مناسب في التصميم لتلبية متطلبات الأداء الصوتي. وهو عبارة عن محول قرصي منحني مدفوع بالجالفينول، والذي يستخدم بنية مشابهة لمحول الطاقة الطولي لإثارة اهتزاز الانحناء للإشعاع الأمامي 

الشكل 2: تصميم جديد لمحول الطاقة منخفض التردد مع قرص منحني

1.1.2 محول الطاقة المرن

بدأ مفهوم محول الطاقة المرن من براءة اختراع هايز في عام 1936. وضع العمل الأساسي هو أن يقوم واحد أو أكثر من الهزازات التلسكوبية بتشغيل غلاف الاهتزاز الانثناءي لتوليد إشعاع صوتي منخفض التردد. لقد نشط البحث وتطبيق محولات الطاقة المرنة في بلدي منذ نهاية القرن العشرين. لقد صمم الباحثون محولات الطاقة المرنة ذات الهياكل المختلفة. وفقا لطريقة الهيكل والإثارة، يتم تقسيم محولات الطاقة المرنة إلى ثلاث فئات. يتم استخدام طريقة التصنيف هذه هنا لتقديمها بشكل منفصل.

 

(2) محول طاقة الانحناء والشد ذو هيكل أسطواني. يتم تشغيل هذا النوع من محولات الطاقة بواسطة هزاز تلسكوبي طولي لترجمة غلاف الاهتزاز الانثناءي. الغلاف المهتز لمحول الطاقة عبارة عن هيكل انتقالي، أي غلاف أسطواني بأشكال مختلفة، يتم تشغيله بواسطة واحد أو أكثر من الهزازات التلسكوبية الطولية. بما في ذلك محول الطاقة المرن من النوع IV وهيكل التشوه الخاص به، ومحول الطاقة المرن من النوع VII، ومحول الطاقة المرن الرباعي، وما إلى ذلك. الشكل 3أ عبارة عن هيكل نموذجي لمحول الطاقة المرن من النوع IV. لقد تم تطوير محول الطاقة المرن من النوع IV الذي يتم تشغيله بواسطة مادة PMNT أحادية البلورة الكهروضوئية. تم تطوير محول الطاقة المرن من النوع الرابع الذي يتم تشغيله بواسطة مادة التقبُّض المغناطيسي العملاقة الأرضية النادرة Terfenol-D. الشكل 3 ب هو التصميم الجديد لمحول الطاقة المرن من النوع السابع، والذي يتم تشغيله بواسطة مادة التقبُّض المغناطيسي العملاقة الأرضية النادرة Terfenol-D. تم تصميم طريقة الإثارة في الجزء الأوسع من البعد العرضي، وتم تصميم زوج من الهزازات المتوازية لإعطاء نظرة متعمقة على هذا النوع من محولات الطاقة. تتضمن سلسلة الأبحاث تحليل تصميم الإجهاد المسبق، والنمذجة النظرية، والتحليل المشروط، والأبحاث التجريبية، وما إلى ذلك. الشكل 3 ج هو تصميم جديد محسّن لمحول الطاقة المرن من النوع IV، والذي يشبه تحسين تصميم محول الطاقة المرن من النوع الأول إلى محول الطاقة المرن من النوع الثاني، باستخدام هيكل غلاف بيضاوي الشكل مع محور طويل ممدود، محول الطاقة يتم تشغيله بواسطة مادة بلوري أحادية كهروضوئية PMNT، والتي تعمل بشكل أفضل على النطاق العريض خصائص من محول الطاقة المرن من النوع الرابع العام. الشكل ثلاثي الأبعاد هو أول تصميم جديد لتحسين محول الطاقة المرن من النوع IV في الصين - محول الطاقة المرن من النوع ذو شفة السمكة، والذي يستخدم غلافًا بيضاويًا متغير الارتفاع ويستخدم محرك Terfenol-D من المواد الأرضية النادرة فائقة التقبُّض المغناطيسي، وهذه القشرة الاهتزازية ذات الشكل الخاص لها تأثير ذراع الرافعة وتأثير التضخيم المزدوج عالي الوزن. في الوقت الحاضر، تم إجراء تسلسل لمحول الطاقة المرن ذو شفة السمكة Terfenol-D وتصميمه في هيكل مزدوج الغلاف لزيادة قوة النقل. يمكن أن تصل قوة الصوت القصوى لمحول طاقة واحد إلى 10000 واط، مما يجعله محول طاقة محلي عالي التردد منخفض التردد أحد الأنواع الأساسية. الشكل 3e عبارة عن محول طاقة مرن رباعي الإثارة متعامد، والذي يعتمد تحسينًا مدمجًا في التصميم، والذي يمكن أن يضيف المزيد من المواد الوظيفية في حجم محدود ويحسن مستوى مصدر صوت الانبعاث. الشكل 3f هو تصميم جديد محسّن آخر لمحول الطاقة المرن من النوع IV، على غرار تحسين تصميم محول الطاقة المرن من النوع الأول إلى محول الطاقة المرن من النوع III، والذي يستخدم غلافين بيضاويين في سلسلة على طول اتجاه المحور الطويل. يفضي إلى اقتران مشروط لتحقيق خصائص تشغيل النطاق العريض. الشكل 3g عبارة عن تصميم جديد محسّن لهزاز الإثارة لمحول الطاقة المرن من النوع IV. إنه محول طاقة مرن من النوع IV يتم تشغيله بواسطة الهزاز القابل للطي. هذا الهيكل مع مادة الإسكان منخفضة الصلابة يمكن أن يقلل بشكل فعال من تردد الرنين.

الشكل 3: محول طاقة الانحناء مع هيكل العمود

ومن المعروف أيضًا باسم محول الطاقة المرن من نوع القرع. تمت دراسة محول الطاقة المرن من نوع القرع الذي يحركه PZT وPZT+Terfenol-D. ، يتم إجراء تحليل المحاكاة لمعلمات خصائص الانبعاث للإثارة المشتركة. الشكل 4 ج عبارة عن محول طاقة مرن ذو أنبوب مقعر ومتحمس بواسطة مزيج من التضيق المغناطيسي والكهرضغطية. في التصميم، تم استخدام عنصري الإثارة، Terfenol-D وPZT، لتشكيل هزاز طولي مركب. يوضح الشكل 4 د محول الطاقة المرن ذو الأسطوانة المقعرة. وهو متحمس بواسطة المكدس الكهرضغطي المتعدد. في ظل فرضية أن القشرة تظل دون تغيير وأن الحجم الإجمالي للمادة الخزفية الكهروضغطية هو نفسه، تم تحليل أرقام مختلفة (1-4) لمحركات المكدس الكهرضغطية من أجل التأثير على أداء محول الطاقة، تم تصميم وتطوير محول شد الانثناء الأنبوبي المقعر المثار بواسطة كومة كهرضغطية ثلاثية.

الشكل 4: محول شد وثني الجسم من النوع الطويل

محول شد وثني الجسم الدوار من النوع المسطح. يتم تشغيل هذا النوع من محولات الطاقة بواسطة هزاز يتوسع شعاعيًا لقيادة غلاف اهتزاز منحني متناظر دورانيًا. الغلاف المهتز لمحول الطاقة عبارة عن هيكل متماثل دورانيًا، بشكل عام زوج من الأغطية الكروية المحدبة أو المقعرة (أو الأغطية الكروية) أو يتكون من قرص، وما إلى ذلك، مدفوع بحلقة متوسعة شعاعيًا أو هزاز قرصي، بما في ذلك محول التوتر المرن على شكل V، ومحول طاقة التوتر المرن على شكل VI، ومحول طاقة التوتر المرن على شكل قرص، وما إلى ذلك، المقدمة هنا صغيرة الحجم من النوع V محول الطاقة المرن - الصنج ومحول الطاقة المرن من نوع القرص. الشكل 5 أ هو محول طاقة مرن صغير الحجم على شكل حرف V. يتم تشغيل زوج من الأغطية الطرفية المعدنية بواسطة قرص سيراميك كهرضغطية يهتز بشكل قطري لإنتاج اهتزاز انثناء؛ الشكل 5 ب هو محول طاقة مرن على شكل قرص، والذي يستخدم PZT- في التصميم. 4 تعمل الحلقة الخزفية الكهرضغطية المستقطبة شعاعيًا على تشغيل القرص المنحني. يتم تقسيم القرص إلى 16 قطاعًا متساويًا على طول الشق الشعاعي لتقليل اقتران الاهتزاز الجانبي. تتميز محولات الطاقة المرنة لهذين الشكلين الهيكليين بخصائص تردد الرنين المنخفض والحجم الهندسي الصغير والكفاءة الكهروصوتية العالية.

الشكل 5: محول شد وثني الجسم الدوار من النوع المسطح

1.2 التقدم البحثي لمحولات الطاقة ذات النطاق العريض عالية التردد

بالإضافة إلى مسافة الكشف كمؤشر مهم للمعدات الصوتية تحت الماء، هناك اتجاه تطوير آخر يتمثل في الحصول على أكبر قدر ممكن من معلومات الهدف كغرض رئيسي. على سبيل المثال، سونار الصور عالي الدقة، والاتصالات الصوتية تحت الماء ذات معدل البيانات العالي، وما إلى ذلك. يتطلب تشغيل الوضع عالي التردد، ويكون نطاق تردد العمل واسعًا قدر الإمكان. ولذلك، أصبح محول الطاقة الصوتية عريض النطاق عالي التردد تحت الماء مكونًا رئيسيًا للنظام، على غرار البصريات. عدسة نظام التصوير هي نفسها.

 

الشكل 6 أ هو محول النطاق العريض عالي التردد مع عمود سيراميك كهرضغطية وطبقة مطابقة. تمت دراسة نسبة المسافات بين السيراميك الكهرضغطي إلى حجم السيراميك وتأثير مواد الحشو على عرض النطاق الترددي. يستخدم محول الطاقة ذو النطاق العريض عالي التردد ذو الطبقة المطابقة المزدوجة المصمم في الشكل 6 ب أعمدة السيراميك الكهرضغطية لتشكيل مصفوفة، ثم يضيف هيكل طبقة مطابقة مزدوجة من الطبقة المعدنية والمواد المركبة الراتنجية لتحقيق أداء انبعاث صوتي عريض النطاق عالي التردد. يوضح الشكل 6 ج محول الطاقة عريض النطاق المركب عالي التردد 1-1-3 الكهرضغطية المصمم، والذي يتكون من أعمدة كهرضغطية متصلة أحادية البعد وأعمدة معدنية متصلة أحادية البعد مرتبة بالتوازي في مصفوفة بوليمر متصلة ثلاثية الأبعاد. تم تشكيل المادة المركبة الكهرضغطية ثلاثية الطور، وتم تطوير محول طاقة الإرسال عريض النطاق عالي التردد. يوضح الشكل 6 د محول الطاقة ذو النطاق العريض عالي التردد المركب الكهرضغطي 1-3، والذي يستخدم تأثير الاقتران لوضع اهتزاز السماكة ووضع الاهتزاز العرضي من الدرجة الأولى لتحقيق خصائص تشغيل النطاق العريض. يوضح الشكل 6 هـ محول الطاقة ذو النطاق العريض عالي التردد ذو الحلقة المركبة الكهروإجهادية. يتم الحصول على الحلقة المركبة الكهرضغطية عن طريق قطع الحلقة الخزفية الكهرضغطية شعاعيًا وصب راتنجات الإيبوكسي. ثم يتم الحصول على حلقتين مركبتين كهرضغطية بسماكات مختلفة للجدار. يتم تركيب الحلقة المركبة لتشكل محول طاقة مزدوج الرنين يشع شعاعيًا.

 

الشكل 6: محول النطاق العريض عالي التردد