الابتكار التكنولوجي في تطوير محولات الطاقة الصوتية تحت الماء(1)

الابتكار التكنولوجي في تطوير محولات الطاقة الصوتية تحت الماء

 

 

70.8% من مساحة سطح الأرض عبارة عن محيطات. يعد المحيط الشاسع أكبر كنز للموارد على وجه الأرض، كما يعد المحيط أيضًا موقعًا مهمًا للصراعات العسكرية الدولية. إن البحث والتطوير واستخدام المحيطات لا يمكن فصلها عن الموجات الصوتية. الموجات الصوتية هي الناقل الوحيد للمعلومات الذي يمكنه السفر لمسافات طويلة في المحيط. استكشاف وتنمية الموارد البحرية، محول الاتصالات تحت الماء وملاحة السفن، واكتشاف الأهداف تحت الماء والتعرف عليها، والرصد البيئي، والتنبؤ بالكوارث الطبيعية، وما إلى ذلك، كلها تعتمد على التكنولوجيا الصوتية تحت الماء لتحقيقها. يتطلب تطوير التكنولوجيا الصوتية تحت الماء دعم جميع أنواع محولات الطاقة الصوتية تحت الماء. مهمة محولات الطاقة الصوتية تحت الماء هي إرسال واستقبال الموجات الصوتية تحت الماء، لذلك يطلق عليها 'عيون وآذان المعدات الصوتية تحت الماء'، والتي يمكن القول إنها محولات الطاقة الصوتية تحت الماء. تمثل ولادة 'H' بداية تطور التكنولوجيا الصوتية المائية. يعد التقدم التقني لمحولات الطاقة الصوتية المائية شرطًا أساسيًا مهمًا وأساسًا للتطور السريع للتكنولوجيا الصوتية المائية (1)

 

ال إن محول الطاقة الصوتي تحت الماء ليس موضوعًا معزولًا بسيطًا، ولكنه مجال تقني متعدد التخصصات. تشمل المواضيع ذات الصلة الوثيقة بشكل أساسي: الفيزياء، وعلوم المواد، والرياضيات، والميكانيكا، والإلكترونيات، والكيمياء، والعلوم الميكانيكية، وما إلى ذلك، لذا فإن الصوتيات تحت الماء على الرغم من أن محول الطاقة له تاريخ يزيد عن مائة عام من التطوير، إلا أنه أصبح الآن مجالًا موضوعيًا نابضًا بالحياة. إن الحاجة الملحة من مجال التكنولوجيا الصوتية المائية هي القوة الدافعة المباشرة لتطوير محولات الطاقة الصوتية المائية، ويعتبر تطوير المواد الوظيفية والتقدم التكنولوجي أهم أساس مادي لتطوير محولات الطاقة الصوتية المائية. طوال تاريخ تطوير محولات الطاقة الصوتية المائية، من أجل تلبية المتطلبات التقنية المتزايدة باستمرار في مجال الصوتيات المائية إلى أقصى حد، يتم تحديث المواد الوظيفية المقابلة باستمرار. لقد أجرى الأشخاص أبحاثًا تطبيقية خاصة حول خصائص المواد الوظيفية المختلفة واقترحوا تقنيات جديدة وهياكل جديدة، مما أدى إلى تحسين وتعزيز الأداء الفني الشامل لمحول الطاقة، مما أتاح تدفقًا لا نهاية له من نتائج الأبحاث المبتكرة على محول الطاقة. يختار المؤلف بعض الأمثلة البحثية النموذجية لمحولات الإطلاق، ويحلل ويلخص الأفكار المبتكرة لهذه الأعمال البحثية من عدة زوايا مختلفة، ويأمل في تزويد العلماء الشباب ببعض التوجيه والتنوير، واستكشاف الجوانب العميقة للعمل البحثي الكلاسيكي.

 

1. الابتكار التقني لمحول الطاقة الصوتية تحت الماء على أساس المواد الوظيفية

 

في عام 1915، استخدم بول لانجفين من فرنسا وآخرون جهاز إرسال مكثف وجهاز استقبال جسيمات الكربون لإجراء تجارب صوتية تحت الماء. ينبغي أن يكون جهازا الإرسال والاستقبال هذين عبارة عن محولات طاقة صوتية بدائية تحت الماء؛ 1917 ～ 1918 قام لانجفين زيوان بتصميم وتحسين محول طاقة الكوارتز. يتكون الهزاز الخاص به من عدة ألواح كوارتز كهرضغطية محصورة بين لوحين فولاذيين سميكين. ويسمى هذا الهيكل محول Langzhiwan. نظرًا لأن الكوارتز الطبيعي لا يمكنه تلبية الطلب المتزايد باستمرار، فقد وجد أن ملح روشيل البلوري الكهرضغطي الاصطناعي القابل للذوبان في الماء له تأثير كهرضغطية أقوى من الكوارتز، لكن مشكلة ثباته تحد من نطاق التطبيق، وتكون الكهرباء الضغطية أقل قليلاً. تم استخدام بلورات فوسفات هيدروجين الأمونيوم (ADP) على نطاق واسع في الحرب العالمية الثانية بسبب خصائصها المستقرة نسبيًا. في عام 1920، تم تطبيق تأثير التقبُّض المغناطيسي في محولات الطاقة الصوتية تحت الماء؛ وفي عام 1925، تم تصميم وتطبيق محولات الطاقة المغناطيسية المصنوعة من النيكل؛ في عام 1931، أدت الدراسة المتعمقة لصفائح النيكل الرقيقة إلى التطور السريع لمحولات الطاقة المغناطيسية. وتم استبدال محولات الطاقة البلورية الكهرضغطية تدريجيًا؛ في عام 1944، تم اكتشاف أن سيراميك تيتانات الباريوم يتمتع بكهرضغطية قوية بعد الاستقطاب، وفقدانها أقل بكثير من فقدان المواد ذات التقبُّض المغناطيسي. في وقت لاحق، تم تطوير محولات الطاقة الخزفية الكهرضغطية من تيتانات الباريوم بسرعة؛ يتمتع سيراميك تيتانات زركونات الرصاص المستقطب (PZT) الذي تم اكتشافه في عام 1954 بكهرباء ضغطية أقوى. حتى يومنا هذا، لا يزال السيراميك الكهرضغطي PZT هو المادة الوظيفية الرئيسية لمحولات الطاقة الصوتية تحت الماء.

 

في سبعينيات القرن العشرين، قام الدكتور كلارك إيه إي في الولايات المتحدة بتطوير سبيكة ثلاثية التقبُّض المغناطيسي العملاقة الأرضية النادرة Terfenol-D. منذ تسعينيات القرن العشرين، تم اكتشاف المواد البلورية العازلة الكهروضوئية PZN-PT وPMN ذات الخواص الكهربائية عالية الجهد وكثافة الطاقة العالية -PT الواحدة تلو الأخرى، وتم تحقيق اختراقات جديدة في الأبحاث التطبيقية لهذه المواد الثلاث. سيركز هذا القسم على نتائج الأبحاث الخاصة بمحولات الطاقة المادية الوظيفية الجديدة.

 

⒈جيل جديد من المواد المقترنة بالمغناطيس ومحولات الطاقة الخاصة بها

يتضمن الجيل الجديد من المواد المغناطيسية مواد السبائك الأرضية النادرة ومواد السبائك المعدنية النادرة. تم اكتشاف التأثير المغناطيسي العملاق لمواد السبائك الأرضية النادرة لأول مرة في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة. أعلى سلالة تقبُّض مغناطيسي لمادة Tb0.6Dy0.4 عند 77K هي 0.65%، وأعلى سلالة تقبُّض مغناطيسي لـ Terfenol-D عند درجة حرارة الغرفة هي 0.25%. هناك وثائق توضح أنه تم تطوير محول طاقة طولي مزدوج المكبس مغناطيسيًا مدفوعًا بملف فائق التوصيل. يتم وضع قضيب التقبيق المغناطيسي من سبيكة التربة النادرة (تيربيوم-ديسبروسيوم) في غرفة تكييف الهواء (درجة حرارة 50-60 كلفن)، ويتم تدوير برج التبريد وتبريده بواسطة برج التبريد الخاص بالثلاجة. في الغرفة، يوفر ملف مادة فائقة التوصيل مجالًا مغناطيسيًا متحيزًا للتيار المستمر ومجالًا مغناطيسيًا مثيرًا لإثارة قضيب التقبُّض المغناطيسي لتوليد اهتزازات ممتدة ونقلها إلى السطح المشع من نوع المكبس من خلال قطعة الانتقال الميكانيكية. يقوم السطح المشع من نوع المكبس بدفع وسط الماء لتوليد موجات ضغط للإشعاع. 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 هو 430 هرتز، والحد الأقصى لمستوى مصدر الصوت هو 181.4 ديسيبل، والكفاءة حوالي 25%. هذا يعمل محول الطاقة المائي تحت الماء على تعقيد عملية التصنيع من أجل الحصول على ظروف عمل منخفضة الحرارة. في السنوات الأخيرة، أصبح الناس على استعداد لاستخدام مادة Terfenol-D التي تعمل في درجة حرارة الغرفة لتبسيط عملية التصنيع، مع تحقيق أداء إشعاعي ممتاز بهيكل جديد.

 

إنه محول طاقة مرسل مثمن مدفوع Terfenol-D أكمله بتلر يساوي 1980. يتم ترتيب 16 قضبان أرضية نادرة في طبقتين، ويتم توصيل 8 قضبان أرضية نادرة في كل طبقة في مثمن من خلال كتلة انتقالية على شكل إسفين وتشكل دائرة مغناطيسية مغلقة، وتتصل كتلة الانتقال بالسطح المشع لجزء من الأسطوانة (بالقرب من الزاوية المركزية 45 درجة)، ويتم الضغط على قضيب الأرض النادرة من خلال أسلاك الضغط عالية القوة بين الكتل الانتقالية. يبلغ الضغط الداخلي للقضيب الأرضي النادر حوالي 13.8 ميجا باسكال، وتردد الرنين لمحول الطاقة في الماء عند 775 هرتز، وتمت مقارنة القيادة غير الخطية تحت حالة المجال المغناطيسي المتحيز للتيار المستمر وحالة المجال غير المتحيزة، وتم تحقيق مستوى مصدر الصوت 189.8 ديسيبل تحت حالة المجال المغناطيسي المتحيز للتيار المستمر و196.2 ديسيبل تحت حالة القيادة غير الخطية غير المتحيزة على التوالي.