الابتكار التكنولوجي في تطوير محولات الطاقة الصوتية تحت الماء(2)

     الابتكار التكنولوجي في تطوير محولات الطاقة الصوتية تحت الماء(2)

تعد سبائك الحديد والجاليوم (جالفينول) نوعًا جديدًا من المواد المغناطيسية التي ظهرت في السنوات الأخيرة. يقع سلالة التقبُّض المغناطيسي بين النيكل وTerfenol-D، عند 300 جزء في المليون (جزء في المليون عبارة عن متغير دقيق، يمثل ΔL/L=10-6) أعلاه، بالمقارنة مع Terfenol-D، فهو يتمتع بمزايا النفاذية النسبية الأعلى (> 100)، وقابلية تشغيل جيدة، وثبات في درجات الحرارة العالية، وقوة شد عالية. نظرًا لأن مادة سبائك الحديد والجاليوم تتمتع بأداء تصنيع جيد وقوة ميكانيكية عالية، فيمكن استخدامها لتصميم ومعالجة غلاف محول الطاقة المرن. الشكل 2 ب هو مثال بحثي لمحول الطاقة المرن ذو البرميل المقعر مع غلاف من سبائك الحديد والجاليوم. ال يتم تشغيل محول الطاقة الصوتي تحت الماء. يتكون الهزاز من عناصر سبائك الحديد والجاليوم Φ20mm×40mm وصفائح المغناطيس الدائم النيوديميوم والحديد والبورون، ويشكل دائرة مغناطيسية مغلقة مع الغلاف المشع. أظهرت النتائج التجريبية أن استجابة تيار انبعاث محول الطاقة هي 168.4 ديسيبل (تردد الرنين 1750 هرتز)، وهو أفضل من الدورالومين بنفس الحجم الهندسي. تم تحسين محول الغلاف (تردد الرنين 1900 هرتز) بما يقرب من 5 ديسيبل، مما يعكس مزايا تصميم الغلاف النشط.

 

نشرت في عام 2000، نتائج البحث عن محول الطاقة الطولي واسع النطاق لإثارة المفاصل الكهرضغطية المغناطيسية. يتم تشغيل محول الطاقة الطولي بشكل مشترك بواسطة وحدة Terfenol-D ومكدس PZT، والذي يحقق تشغيل النطاق العريض لاقتران ذروة الرنين المزدوج 1.8 كيلو هرتز و3.5 كيلو هرتز. الخصائص، ذكرت الأدبيات أيضًا أن المصفوفة المستوية عالية الطاقة 4 × 4 المكونة من هذا النوع من محولات الطاقة، يكون مستوى مصدر الصوت للمصفوفة أكبر من 225 ديسيبل في نطاق التردد 1.5-6 كيلو هرتز.

 

Terfenol-D محول طاقة طولي متعدد الوحدات، صمم المؤلف وحدة القيادة ببراعة، ويستخدم هيكلها غلافًا مغناطيسيًا دائمًا لتطبيق مجال مغناطيسي متحيز لفصل المجال المغناطيسي الثابت عن الدائرة المغناطيسية الديناميكية، والمغناطيس الديناميكي يتم تجنب عناصر المغناطيس الدائم ذات النفاذية المنخفضة في الطريق، ويتم زيادة تأثير قيادة طاقة المجال المغناطيسي؛ هو الرسم التخطيطي المادي لوحدة القيادة. يتم توصيل 4 وحدات محرك كهذه ميكانيكيًا في سلسلة لتكوين بديل طولي منخفض التردد مع الغطاء الأمامي وكتلة الذيل. جهاز الطاقة، المسمار المركزي مُجهد مسبقًا؛ الشكل 3ج هو الصورة الفعلية لمحول الطاقة بعد التغليف، وتردد الرنين لمحول الطاقة هو 1.6 كيلو هرتز، ومستوى مصدر الصوت 177 بي بي.

 

يعد تصميم الدائرة المغناطيسية لمحول الطاقة المغنطيسي مهمًا جدًا. أخذ بتلر محول الطاقة المرن ذو البرميل المقعر كمثال وقارن تأثيرات العمل لستة مخططات للدوائر المغناطيسية من خلال تحليل العناصر المحدودة. هياكل الدائرة المغناطيسية في الشكل 4 أ-و هي على التوالي .قضيب أرضي نادر مستمر بالإضافة إلى غطاء نهائي وغطاء نهائي ملحق منفذ من الحديد النقي المغناطيسي، وقضيب أرضي نادر مستمر بالإضافة إلى غطاء طرفي ملحق منفذ من الحديد النقي، وقضيب أرضي نادر مستمر بدون ملحق منفذ من الحديد النقي، مزيج من قضيب أرضي نادر وقطعة مغناطيس دائم بالإضافة إلى غطاء نهائي وغطاء ملحق منفذ من الحديد النقي، وقضيب أرضي نادر ومجموعة قطعة مغناطيس دائم بالإضافة إلى غطاء نهاية ملحق منفذ مغناطيسي من الحديد النقي، وقضيب أرضي نادر ومجموعة قطعة مغناطيس دائمة بدون مغناطيسي منفذ من الحديد النقي. ملحق، تم حساب معاملات الاقتران الكهروميكانيكية الفعالة لتكون 0.33، 0.30، 0.27، على التوالي، 0.23، 0.21، و0.20، مما يشير إلى أن معامل الاقتران الكهروميكانيكي الفعال للهزاز الأرضي النادر قد تغير من قضيب أرضي نادر مستمر إلى قضيب أرضي نادر مدمج مع ورقة مغناطيس دائمة. إن الأغطية والأكمام النهائية للملحقات النفاذية المغناطيسية المصنوعة من الحديد النقي لها تأثير معين على تحسين أداء الاقتران الكهروميكانيكي للهزاز الأرضي النادر، ولكن بالنسبة لمواد القيادة ذات النفاذية النسبية المنخفضة مثل Terfenol-D، يكون التحسن صغيرًا، ويتم تحديد معامل الاقتران الكهروميكانيكي الفعال بمقدار 0.20 إلى 0.23 أو 0.27 إلى 0.33.

 

 

2. جيل جديد من المواد الكهرضغطية ومحولات الطاقة الخاصة بها

حتى النصف الأول من القرن العشرين، كانت جميع المواد الكهرضغطية عبارة عن بلورات مفردة. تم اكتشاف تيتانات الباريوم السيراميكية الكهرضغطية متعددة البلورات لأول مرة في الخمسينيات من القرن الماضي، يليها تيتانات زركونات الرصاص (PZT) في الستينيات. أداء هذه السيراميك الكهروضغطي يفوق بكثير أداء البلورات المفردة المبكرة، ومنذ ذلك الحين أصبحت PZT المادة الوظيفية الرئيسية لمحولات الطاقة الصوتية تحت الماء.

في منتصف التسعينيات، تم اكتشاف تيتانات الرصاص والمغنيسيوم نيوبات الرصاص أحادية البلورة الكهرضغطية الجديدة (PMN-PT) وتيتانات الرصاص الزنك نيوبات الرصاص (PZN-PT)، وهاتان المادتان البلوريتان الكهروإجهاديتان تتمتعان بإجهاد تشبع عالي جدًا (أكثر من 1٪)، وخسارة منخفضة، ومعامل اقتران كهرضغطية مرتفع (أكبر من 0.9)، مما يوضح المزايا المحتملة لزيادة الطاقة وتوسيع نطاق التردد في اتجاه محول صوتي تحت الماء. في السنوات الأخيرة، تم استخدام تيتانات الرصاص والمغنيسيوم نيوبات الرصاص الثلاثي الإنديوم نيوبات الرصاص (PIN-PMN-PT) والمنغنيز الرصاص المخدر نيوبات الرصاص المغنيسيوم نيوبات الرصاص تيتانات الرصاص (Mn: PIN-PMN-PT) وهي مادة بلورية أحادية كهرضغطية، مما يزيد من تحسين خصائص العمل في ظل ظروف المجال الكهربائي العالية.

بدأ تطبيق المواد البلورية الأحادية الكهرضغطية مثل PMN-PT في مجال الصوتيات تحت الماء من تصميم وتطوير محولات الطاقة الطولية. أجرى ماير وآخرون سلسلة من الأعمال البحثية، بما في ذلك التحليل التفصيلي لمحولات الطاقة الطولية ذات 33 وضعًا و32 وضعًا PMN-PT، ودراسة مقارنة مع PZT-8. الشكل 5 أ عبارة عن محول طاقة طولي ذو 33 وضعًا يتم تشغيله بواسطة مجموعة مكونة من 10 شرائح PZT-8، والشكل 5 ب عبارة عن محول طاقة طولي ذو 33 وضعًا يتم تشغيله بواسطة مجموعة مكونة من 3 شرائح PMN-PT، والشكل 5ج عبارة عن 4 شرائح PMN-PT. تشكل الشرائط الطويلة محول طاقة طوليًا على شكل 'فم' ذو 32 وضعًا. تظهر النتائج أنه عند استخدام PMN-PT وPZT-8 لصنع محولات الطاقة الطولية بنفس التردد ومستوى مصدر الانبعاث والمعلمات الأخرى، فإن طول بلورة PMN-PT يبلغ حوالي 30٪ فقط من PZT-8، مما يوضح المزايا التقنية للمواد البلورية المفردة الكهرضغطية لصنع محولات طاقة صغيرة؛ يمكن للوضع 32 أن يجعل المواد البلورية المفردة يتم قطعها وفقًا لأفضل اتجاه للأداء، وفي نفس الوقت يستخدم مجموعة من الشرائط الطويلة، ويمكنه تجنب المشكلات التقنية مثل زراعة رقائق مفردة كبيرة الحجم، وتحسين موثوقية واتساق محول الطاقة، وله مزايا واضحة لتطبيقات صفيف السونار خفيفة الوزن متوسطة وعالية التردد.

لقد طورت بلورة واحدة أ محول إرسال أسطواني يتكون من حلقات مطعمة. تتكون كل حلقة من 12 شريطًا على شكل إسفين، و9 حلقات مجمعة بإحكام في الاتجاه المحوري لتشكل أسطوانة. الحجم الهندسي (Φ20.3mm×66mm) إنه أصغر بكثير من محول الطاقة الخزفي الكهرضغطي بنفس التردد، ويحقق خصائص عمل النطاق العريض لأكثر من 2.5 أوكتاف. تستخدم وثيقة أخرى بلورة أحادية PMN-PT لتطوير محول الطاقة المرن المقعر. يتكون هزاز المحرك الخاص بمحول الطاقة من مجموعة مكونة من 16 عنصرًا مستقطبًا محوريًا Φ28mm×Φ10mm×4.8mm، وقذيفة اهتزاز مصنوعة من سبائك التيتانيوم. تم تحسين استجابة جهد الانبعاث بأكثر من 5 ديسيبل مقارنة بنفس محول الطاقة الهيكلي لمادة PZT-4.

تكون درجة حرارة انتقال الطور المثلثي الرباعي للبلورة المفردة PMN-PT منخفضة نسبيًا، مما يحد من نطاق تطبيقها إلى حد معين، خاصة بالنسبة للتطبيقات في ظل ظروف الطاقة العالية. إن تيتانات الرصاص الثلاثي الإنديوم نيوبات الرصاص والمغنيسيوم نيوبات الرصاص (PIN-PMN-PT) والبلورة المفردة المخدرة بالمنغنيز (Mn: PIN-PMN-PT) تجعل درجة حرارة انتقال الطور للبلورة العازلة الكهروضوئية المفردة واضحة زيادة وتقليل عامل الخسارة بشكل كبير في نفس الوقت: يتم زيادة درجة حرارة انتقال الطور من 95 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية، ويتم تقليل عامل الخسارة من 0.26 إلى 0.15، والخسارة العامل هو فقط نصف السيراميك الكهرضغطي المعتاد PZT-4. هناك أيضًا مؤلفات تستخدم هاتين البلورتين المفردتين الجديدتين، PMN-PT وPZT-4 لصنع محولات الطاقة الطولية ومقارنة خصائص التشغيل عالية الطاقة، مما يثبت أن الصيغة الجديدة للمادة البلورية المفردة أكثر ملاءمة لظروف دورة العمل العالية الطاقة والكبيرة. مستوى مصدر الصوت لمحول الطاقة PMN-PT أعلى بمقدار 5 ديسيبل من مستوى محول الطاقة PMN-PT عند تردد الرنين. بالمقارنة مع السيراميك الكهرضغطي PZT-4، فإن مستوى مصدر الصوت وسعة الطاقة عند تردد الرنين متساويان بشكل أساسي، ويزيد عرض النطاق الترددي للعمل بمقدار مرة واحدة، ويتم زيادة الحد الأقصى لمستوى مصدر الصوت خارج تردد الرنين بحوالي 6 ديسيبل.

 

تركز الأبحاث التطبيقية للمواد البلورية الأحادية PMN-PT في الغالب على نظام التصوير الطبي بالموجات فوق الصوتية عالي التردد. فيما يلي حالة واحدة فقط من أبحاث تطبيق محول الطاقة الصوتية المائية Cymbal، باستخدام عنصر PMN-PT Φ12.7mm×1mm لدفع التيتانيوم بسمك 0.25 مم. لقد طور غطاء الاهتزاز السبائكي محول شد وانحناء صغير الحجم من نوع Cymbal، والذي يتمتع باستجابة جهد انبعاث أعلى بمقدار 6 ديسيبل من محول الطاقة PZT-4 ذو نفس الهيكل.

 

2. الابتكار الفني لهيكل وتكنولوجيا محول الطاقة الصوتية تحت الماء

⒈ابتكار تقني لتحسين خصائص الشعاع

في السونار الحديث، تُستخدم بشكل عام العديد من المصفوفات الأساسية لتحقيق خصائص الشعاع المطلوبة. ومع ذلك، عندما تكون فتحة تركيب محول الطاقة محدودة وتكون هناك متطلبات خاصة لخصائص الشعاع، يجب اتخاذ تدابير تقنية للتحكم في خصائص شعاع محول الطاقة. تشمل الأساليب التقنية الرئيسية للتحسين ما يلي: تطبيق الحاجز، وتكنولوجيا التراكب المشروط باستخدام ثنائيات القطب ومتعددة الأقطاب، وما إلى ذلك. ويختار هذا القسم بعض الأمثلة البحثية النموذجية، مع التركيز على تحليل وملخص استخدام طرق التراكب المشروط لتحسين خصائص شعاع الإنجازات التقنية لمحول الطاقة.

⑴استخدام الحاجز لتحسين خصائص شعاع محول الطاقة

في نظام السونار المبكر، تم استخدام محول طاقة مستقل بشكل عام. عندما لا تتمكن الاتجاهية من تلبية المتطلبات، يتم استخدام انعكاس الحاجز للتحكم في شعاع النقل، والذي يتضمن بشكل أساسي المرور عبر حاجز مسطح، وحاجز أسطواني، وحاجز كروي. يربك اللوحة والمخروط لتغيير اتجاهية محولات الطاقة الأسطوانية، ومحولات المكبس، ومحولات الطاقة الكروية، وما إلى ذلك، إلى حد ما يلبي احتياجات التحكم في شعاع النقل في اتجاه واحد، كما هو مبين في الشكل 6، استخدام المخاريط المزدوجة يضبط الحاجز العاكس اتجاهية محول الطاقة الحلقي المغنطيسي، ويدرك خاصية إشعاع الشعاع أحادي الجانب.

 

هناك منشورات مفادها أن محول الطاقة المرن من النوع الرابع بتردد 3 كيلو هرتز يتم وضعه بالقرب من بؤرة حاجز العاكس المكافئ، بحيث يمكن لمحول الطاقة المرن من النوع الرابع مع عدم الاتجاه الخاص به تحقيق خصائص إشعاع أحادية الاتجاه. تحصل التجربة على زاوية فتح أحادية الزاوية تبلغ 83 درجة. بالنسبة للشعاع، يبلغ فرق الاستجابة الأمامي والخلفي 21 ديسيبل.

⑵ محول اتجاهي مركب مشروط

تحتوي محولات الطاقة الهيكلية المختلفة على أوضاع اهتزاز مختلفة متعددة الترتيب. تعمل محولات الطاقة الرنانة بشكل عام على أساس وضع اهتزاز التردد الأساسي. ستتوافق أوضاع الاهتزاز المختلفة مع طرق الإثارة الفعالة الخاصة بها، لذلك يمكن استخدام مجموعة من طرق الإثارة لتحقيق قيادة التراكب لأوضاع الاهتزاز المتعددة، وذلك لتحقيق الغرض من تغيير خصائص شعاع الإرسال. تتضمن الأوضاع الرئيسية التي يمكنها تغيير خصائص شعاع محول الطاقة من خلال التجميع وضع أحادي القطب، ووضع ثنائي القطب ووضع رباعي القطب، وما إلى ذلك. يمكن لهذه الأوضاع الأساسية تحقيق مجموعة متنوعة من أنماط الاتجاه من خلال الجمع الموزون. في هذا القسم، بالإضافة إلى نتائج الأدبيات المحددة، يتم إجراء تحليل موجز وملخص لتكنولوجيا المعالجة وطرق الإثارة لمحولات الطاقة الهيكلية المختلفة لتحقيق التراكب المشروط.

يعتمد عمل الإثارة متعدد الأوضاع عمومًا طريقة إثارة التقسيم، مثل: أنبوب السيراميك الكهرضغطي أو الغلاف الكروي غالبًا ما يعتمد طريقة القطب المقسم، انظر الشكل 7 أ، ب؛ محول الطاقة المضلع المغنطيسي ( الحلقة) يعتمد إثارة الحافة المستقلة على الطريق.

 

بتلر وآخرون. تم تصميم وتطوير 'محول طاقة مشروط'، ولا يزال يستخدم فكرة التصميم الخاصة بإثارة التقسيم، ولكنه يخترق قيود تقسيم المكونات المستقلة، باستخدام 8 هزازات طولية مستقلة 1/4 لمشاركة كتلة الذيل، كل محول طاقة السطح المشع عبارة عن سطح قوس أسطواني قريب من 45 درجة، وهي تحيط بشكل جماعي بمحول انبعاث أسطواني مقسم ومُدار بشكل مستقل. لا يقتصر الحجم الهندسي لمحول الطاقة على ظروف العملية للعناصر المستقلة، ويتم اعتماد الاتجاه الطولي للبنية سابقة الإجهاد في نفس الوقت. يتمتع الهزاز بمزايا تقنية لتصميم محولات الطاقة الاتجاهية منخفضة التردد وعالية الطاقة. يوضح الشكل 8 أشكال الاهتزاز المشروط الأساسية لـ 'محول الطاقة المشروط'. تم تصميم وتطوير محولات الطاقة المشروطة المعتمدة على السيراميك الكهرضغطي PZT-8 والمواد البلورية الأحادية PMN-PT ومواد التقبُّض المغناطيسي العملاقة Terfenol-D على التوالي. لقد حصلت على شعاع إرسال اتجاهي قلبي مع مؤشر اتجاهية يبلغ 6 ديسيبل وفرق قدره 25 ديسيبل في الاستجابة من الأمام إلى الخلف.

 

إنه نوع آخر من محولات الطاقة الاتجاهية منخفضة التردد وعالية الطاقة - محول الطاقة المرن المثار بالمنطقة. في التصميم، يتم إخضاع المكدس الكهروإجهادي (أو هزاز التقبُّض المغناطيسي) لمحول طاقة الانثناء والشد إلى إثارة المنطقة، وذلك باستخدام مزيج من الأوضاع أحادية القطب وثنائي القطب لتشكيل شعاع انبعاث اتجاهي قلبي. الشكل 9 أ هو محول طاقة مرن من النوع الرابع بتردد 900 هرتز، والشكل 9 ب هو محول طاقة مرن من النوع السابع بتردد 3 كيلو هرتز.

تدرس الأدبيات محول طاقة أسطواني متعدد الأوضاع واسع النطاق مزود بلوحة حاجزة (كما هو موضح في الشكل 10). تنقسم أقطاب الأنبوب الأسطواني الخزفي الكهرضغطي بالتساوي إلى مجموعتين، ويتم تحفيزها بشكل مستقل للحصول على أحادي القطب (وضع 0) وثنائي القطب (وضع 1)، ثم تتعاون مع الحاجز لتحقيق الانبعاث أحادي الاتجاه. يستخدم العمل البحثي أيضًا العلاقة الطورية بين الأوضاع لتصميم مضخم طاقة مستقل ودائرة ضبط، من خلال التردد المنخفض '0+1' والتردد العالي '0 + 1'. - يحقق التحكم المركب المشروط 1 بوصة خصائص عمل النطاق العريض. يستخدم محول الطاقة 4 أنابيب دائرية كهرضغطية PZT-4 بقطر Φ38.2 مم × Φ31.8 مم × 19 مم في اتجاه الارتفاع، والحجم بعد التغليف هو Φ48 مم × 79 مم. يتكون الحاجز من قطعتين من مطاط الفلين مصفح لتكوين نصف دائرة. السطح الأسطواني له سمك 6 مم، وتتقلب استجابة جهد الانبعاث بمقدار 6 ديسيبل في نطاق التردد 26-46 كيلو هرتز.

2. الابتكار التقني لتحسين خصائص التردد

مع التمديد متعدد الاتجاهات لاتجاه تطبيق التكنولوجيا الصوتية تحت الماء، تم توسيع نطاق تردد العمل لأنظمة السونار النشطة بشكل مستمر. من بينها، تمت زيادة تردد عمل سونار الصور عالي الدقة إلى 106 هرتز، كما أن نطاق تردد العمل للكشف عن مسافات طويلة للغاية وسونار الاتصالات أقل. أقل من 100 هرتز؛ ومن ناحية أخرى، يتطلب تطوير معالجة معلومات السونار أن يكون نطاق تردد العمل لمحول الطاقة واسعًا قدر الإمكان. لذلك، جذبت محولات الطاقة ذات التردد المنخفض ومحولات الطاقة ذات النطاق العريض الكثير من الاهتمام في المجال الصوتي تحت الماء في السنوات الأخيرة، وكانت نتائج البحث غنية جدًا. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من المشاكل النظرية والتقنية التي لم يتم حلها بشكل جيد. سيظل هذا الجانب هو نقطة البحث الساخنة ومركز التطوير المستقبلي. يختار هذا القسم الأعمال البحثية في اتجاه محولات التردد المنخفض ومحولات الطاقة ذات النطاق العريض، ويحللها ويلخصها. الأفكار المبتكرة والإنجازات التكنولوجية الجديدة.

⑴ التصميم المبتكر لمحول الطاقة ذو التردد المنخفض

①محول طاقة الاهتزاز منخفض التردد

المشكلة التقنية الأولى التي يواجهها تطوير محولات الطاقة ذات التردد المنخفض هي الحجم الهندسي. بشكل عام، يتناسب تردد عمل محولات الطاقة الرنانة عكسيًا مع الحجم الهندسي، أي أنه كلما انخفض تردد محول الطاقة، زاد الحجم الهندسي، مثل التحويل الطولي 500 هرتز. يبلغ طول جهاز الطاقة حوالي 3 أمتار. يمكن أن يؤدي اهتزاز الانحناء إلى تقليل الحجم الهندسي لمحولات الطاقة ذات التردد المنخفض بشكل فعال. من بينها، محولات الطاقة التي تشارك أجهزتها الوظيفية بشكل مباشر في اهتزاز الانحناء تشمل بشكل أساسي محولات شعاع الانحناء، ومحولات قرص الانحناء، وما إلى ذلك.

يوضح الشكل 11 أ بنية عارضة انحناء نموذجية ثلاثية مكدسة. يتم لصق قطعة من شرائح السيراميك الكهرضغطية في الجزء العلوي والسفلي من عارضة الانحناء. عندما يتمدد أحد شرائح السيراميك الكهرضغطية وينكمش الآخر عند إثارةه، فإن العارضة المعدنية الموجودة في المنتصف سوف تنتج اهتزازًا منحنيًا. هذا النوع من تحويل الطاقة يحتاج الجهاز إلى تعريضه للماء من جانب واحد لإشعاع موجات صوتية، لذلك عادةً ما يتم دمج عدة حزم منحنية لتكوين تجويف هوائي، كما هو موضح في الشكل 11ب، يهتز كل سطح مشع في الطور.

 

يسمى مبدأ العمل المماثل محول القرص المنحني بهيكل القرص، والذي يتضمن أيضًا هيكلًا ثلاثي الطبقات ومزدوج الصفائح. يوضح الشكل 11ج محول قرص منحني مدمج يتكون من زوج من الصفائح المزدوجة الصفائح. (بندر). بحث تحليل نظام Delany في خصائص تشغيل Bender منخفضة التردد وصغيرة الحجم وعالية الطاقة.

يتضمن تطوير محولات الطاقة منخفضة التردد ذات الاهتزازات الانثناءية أيضًا محول طاقة حلقيًا جديدًا منقسمًا إلى هيكل (كما هو موضح في الشكل 12). يمكن اعتبار محول الطاقة الحلقي المنفصل كمحول خاص لشعاع الانحناء. تم اقتراح الهيكل الأصلي من قبل هاريس في عام 1957. وتتكون الحزمة الحلقية المركبة من حلقة خزفية كهرضغطية داخلية وحلقة معدنية خارجية. استندت نمذجة وتحليل محول الطاقة إلى 'نموذج الشوكة الرنانة' الموضح في الشكل 12ب، وتم تعديل عنصر القيادة إلى هيكل منقسم. يمكن تصميم محول الطاقة ذو الحلقة المنقسمة بحجم أكبر، ويمكن تعديل الكتلة من خلال صلابة توزيع السُمك لتحقيق تحسين تردد التشغيل وخصائص الإشعاع، كما هو موضح في الشكل 12ج.

 

②محول طاقة الانحناء والتوتر

بدأ مفهوم محول الطاقة المرن من براءة اختراع هايز في عام 1936. وبعد أن نشر توليس براءة اختراع محول الطاقة المرن من النوع الرابع في عام 1966، بدأ البحث والتطبيق لمحول الطاقة المرن في النشاط، وكان هناك أكثر من نصفهم حتى الآن. في قرن تاريخ التطوير ، ولدت أشكال هيكلية مختلفة لمحولات الطاقة المرنة، ومبادئ عملها وعملياتها الهيكلية مليئة بأفكار التصميم المبتكرة. لا يمكننا تقديمها واحدة تلو الأخرى بالترتيب الزمني لتطورها، فقط محولات الطاقة المرنة. يتم تقسيم هيكل الشركة وطرق الحوافز إلى الفئات الثلاث التالية، والتي يتم تحليلها وتلخيصها بإيجاز.

△محول طاقة الانحناء والشد ذو هيكل أسطواني. يتم تشغيل هذا النوع من محولات الطاقة بواسطة هزاز تلسكوبي طولي لترجمة غلاف الاهتزاز الانثناءي، كما هو موضح في الشكل 13. الغلاف المهتز لمحول الطاقة عبارة عن هيكل انتقالي، أي سطح أسطواني بأشكال مختلفة، مدفوع بواحد أو أكثر من الهزازات التلسكوبية الطولية، أ هو محول الطاقة المرن من النوع الرابع، ب هو محول الطاقة المرن من النوع السابع، ج هو محول طاقة ثني وشد 'على شكل نجمة' يتم تشغيله بواسطة مكدس كهرضغطية متعامد، ومحول طاقة ثني وشد 'على شكل نجمة' يتم تشغيله بواسطة هزاز تقبُّض مغناطيسي رباعي الأضلاع. نظرًا لأن هذا النوع من محولات الطاقة من السهل تصميم هزاز إثارة مقسم، فإن محول الطاقة المرن المرن الموصوف أعلاه يختار بشكل عام هذا النوع من البنية.

△محول طاقة الانحناء والشد بجسم دوار طويل. يتم تشغيل هذا النوع من محولات الطاقة بواسطة هزاز تلسكوبي طولي لقيادة غلاف اهتزاز منحني متناظر دورانيًا، كما هو موضح في الشكل 14. الغلاف المهتز لمحول الطاقة عبارة عن هيكل متماثل دورانيًا، بما في ذلك سلسلة من الحزم الأسطوانية الموزعة على طول المحيط، والتي يتم تشغيلها بشكل عام بواسطة هزاز تلسكوبي طولي. الشكلان 14 أ و ب هما الأشكال المحدبة للنوع الأول من هيكل محول الطاقة المرن والهيكل المقعر؛ كما هو مبين في الشكل 14ج، يتم إطالة هزاز الإثارة الطولية لمحول الطاقة في الاتجاه المحوري لزيادة حجم المادة الوظيفية لتتطور إلى محول طاقة مرن من النوع الثاني؛ كما هو موضح في الشكل 14د، تم تصميم غلاف الاهتزاز الانثناءي على شكل قسمين أو أكثر، وتم تطويره إلى محول طاقة مرن من النوع الثالث. يحتوي كل من محولات الطاقة المرنة من النوع الثاني والنوع الثالث على هياكل مقعرة مقابلة.

△محول طاقة الانحناء والشد بجسم دوار مسطح. يتم تشغيل هذا النوع من محولات الطاقة بواسطة هزاز متوسع شعاعيًا لقيادة غلاف اهتزاز منحني متناظر دورانيًا، كما هو موضح في الشكل 15. الغلاف المهتز لمحول الطاقة عبارة عن هيكل متماثل دورانيًا، بشكل عام زوج من التيجان الكروية المحدبة أو المقعرة (أو التيجان الكروية)، مدفوعة بحلقة متوسعة شعاعيًا أو هزاز قرصي، ويبين الشكل 15أ محول الطاقة المرن من النوع V ذو المحرك الدائري، b عبارة عن محول طاقة مرن من النوع V يحركه الرقاقة، و c هو محول طاقة مرن من النوع السادس، و d و e عبارة عن محولات طاقة مرنة صغيرة تم تطويرها على أساس البنية b. ويسمى الجهاز محول طاقة الصنج.

△ هيكل تجويف محول التردد المنخفض. مرنان هيلمهولتز هو الشكل الأساسي لمحول الطاقة الصوتي تحت الماء ذو ​​البنية المجوفة، كما هو موضح في الشكل 16. أ، ب، ج هي الهياكل الأساسية الثلاثة لرنانات هيلمهولتز، والتي تستخدم إثارة الأنبوب الخزفي الكهرضغطي، وإثارة القرص المثني، وإثارة الكرة الخزفية الكهرضغطية. تتمتع مرنانات هيلمهولتز عمومًا بنطاق تردد عمل ضيق، ويتم استخدام d على أساس b. تثير أسطح العمل المزدوجة للقرص المنحني تجاويف الرنين ذات الأحجام المختلفة لتحقيق عملية الرنين المزدوج. أنشأت الأدبيات نموذجًا أكثر اكتمالاً لتحليل مرنان هيلمهولتز، وحللت العلاقة بين خصائص العمل والمعلمات الهيكلية لمرنان هيلمهولتز 300 هرتز. موروزوف وآخرون. صمم مصدر صوت الأرغن الأنبوبي تحت الماء (كما هو موضح في الشكل 17). يحقق تصميم الشكل 17أ ضبط التردد عن طريق تحريك الغلاف لتغيير ممانعة نظام الرنين. يتراوح تردد الضبط من 225 إلى 325 هرتز، والكفاءة تصل إلى 80% أو أكثر، مما يعكس نظام Q العالي (عامل الجودة) بخصائص الكفاءة العالية؛ الشكل 17 ب يستخدم التصميم هيكلًا مزدوجًا الأنبوب مع مصدر صوت كروي مدمج لتحقيق رنين مزدوج التردد. الرنين منخفض التردد هو رنين تجويفي يتكون من غلاف مزدوج المقطع. الرنين عالي التردد هو فقط الرنين المطابق لأنبوب الرنين الداخلي. يمكن أن يستخدم الغلاف الخارجي وأنبوب الرنين الداخلي مواد من الألومنيوم المعدني أو ألياف الكربون غير المعدنية.

⑵ التصميم المبتكر لمحول الطاقة ذات النطاق العريض

في تاريخ تطور التكنولوجيا الصوتية تحت الماء، تم إنتاج مجموعة متنوعة من الأشكال الهيكلية لمحولات الطاقة الصوتية تحت الماء، ولكل منها خصائص عمل تحددها خصائصها الهيكلية. من أجل التكيف مع الاحتياجات الهندسية لتطبيقات النطاق العريض، يواجه كل محول طاقة هيكلي تقريبًا المشكلات الفنية لتصميم النطاق العريض وتحسين العملية. من بينها، يعد محول الطاقة الطولي أحد الأشكال الهيكلية الأكثر شيوعًا لمحولات الطاقة في مجال محول النطاق العريض تحت الماء . نتائج البحث في تصميم النطاق العريض وتطبيقه غنية جدًا. المبادئ التقنية لتصميم النطاق العريض لمحولات الطاقة الهيكلية الأخرى متشابهة بشكل أساسي. يركز هذا القسم على سلسلة من أفكار التصميم الجديدة المعتمدة على محولات الطاقة الطولية لتحقيق خصائص النطاق العريض.

① محول الطاقة الطولي ذو النطاق العريض ذو النطاق العريض

لقد بدأ بالفعل تطبيق مجموعة نطاقات التردد في المرحلة المبكرة من تطوير تكنولوجيا السونار. شوهد العمل المبكر في الأربعينيات. تم استخدام ثلاثة محولات طاقة طولية تقبُّض مغناطيسي بترددات رنين مختلفة لتشغيل لوحة إشعاع مستطيلة وستة محولات طاقة في ترتيب سلم. مدفوعة بملف متعرج مشترك (كما هو موضح في الشكل 18)، فإن ترددات الرنين المستقلة لمحول الطاقة هي على التوالي 21.5، 23 و 24.5 كيلو هرتز، Q = 12، و Q = 4 بعد الجمع. على الرغم من أن طريقة تجميع نطاق التردد هذه ليست مجرد محول طاقة عريض النطاق، إلا أنها لا تزال تستخدم على نطاق واسع في مجال الصوتيات تحت الماء، خاصة في الأنظمة الصوتية مثل محاكاة الضوضاء والأفخاخ الصوتية. تحقق مجموعة الأجهزة خصائص انبعاث النطاق العريض للغاية.

 

② محول الطاقة الطولي واسع النطاق للاقتران المشروط

يُفترض عادةً أن الغطاء الأمامي لمحول الطاقة الطولي يهتز بطريقة المكبس في تحليل النموذج أحادي البعد، أي أنه لا يحدث اهتزاز انحناء. عندما يكون قرن السطح المشع لمحول الطاقة عريضًا نسبيًا، يجب أن يكون مصحوبًا باهتزاز الانحناء، وهو أمر معقول. باستخدام وضع اهتزاز الانحناء للغطاء الأمامي لإقرانه بشكل فعال مع وضع الاهتزاز الطولي، يمكن تصميم محول طولي عريض النطاق. لقد درست الأدبيات تأثير اقتران الاهتزاز الانثناءي والاهتزاز الطولي للوحة الغطاء المشعة المربعة، وصممت محول طاقة عريض النطاق. في مؤلفات أخرى، يتم تضمين قرص الاهتزاز والانحناء في غطاء الإشعاع، ويقترن قرص الانحناء بوضع الاهتزاز لمحول الطاقة الطولي، ويتم تصميم وتطوير محول النطاق العريض كما هو موضح في الشكل 19 أ. يمكن تصميم المكدس الكهرضغطي لمحول الطاقة الطولي في مجموعات متعددة. كما هو مبين في الشكل 19ب، فإن الهيكل الأساسي لمحول الطاقة هو الذي يستخدم اقتران مشروط الإثارة المزدوج لتحقيق تشغيل النطاق العريض. يعتمد بتلر على هيكل محول الطاقة الطولي المزدوج. تطوير متعمق، مثل استخدام الإثارة المزدوجة الهجينة المغناطيسية والكهرضغطية لتصميم محول طولي عريض النطاق، والغطاء الأمامي للصق طبقة مطابقة بطول موجة 1/4، وتصميم وضع رنين من الدرجة الثالثة يقترن بمحول طاقة طولي واسع النطاق للغاية. يحتوي الجهاز، كما هو موضح في الشكل 19ج، على نطاق تردد عمل من 13 إلى 37 كيلو هرتز.

③محول الطاقة الطولي واسع النطاق إلى جانب تجويف السائل

التصميم النموذجي للاقتران بين محول الطاقة الطولي وتجويف السائل هو محول الطاقة يانوس-هيلمهولتز (كما هو موضح في الشكل 20). يعتمد محول الطاقة الطولي هيكلًا مشعًا مزدوج الأطراف، يسمى يانوس، مع غلاف أسطواني مصمم لتشكيل تجويف رنين هيلمهولتز بين رؤوس يانوس المشعة المزدوجة؛ يحتوي محول الرنين تجويف السائل العام على نطاق تردد عمل ضيق. في تطبيق Janus المشترك، يمكن تحقيق نقل النطاق العريض من خلال التصميم الأمثل للاقتران المشروط.

قام جال بتصميم اثنين من محولات الطاقة يانوس هيلمهولتز، 300 هرتز و160 هرتز، ودرس بعمق تأثير إضافة أنبوب متوافق في تجويف الرنين هيلمهولتز على خصائص تشغيل النطاق العريض لمحول الطاقة.

⒊ ابتكار تقني لتحسين قوة الصوت المنبعث

تتمثل الطريقة المباشرة لزيادة قوة الصوت لمحول الطاقة الصوتي تحت الماء في زيادة حجم محول الطاقة وزيادة العدد وتشكيل مصفوفة متقاربة. الطريقة الأكثر فعالية هي استخدام المواد الوظيفية ذات كثافة الطاقة العالية. لقد أوضحت الفصول السابقة تطبيق المواد الوظيفية ذات كثافة الطاقة العالية. يركز هذا القسم على الابتكارات التقنية في هيكل وعملية محولات الطاقة عالية الطاقة صغيرة الحجم.

في وصف مزايا وعيوب الحجم الصغير وخصائص الطاقة العالية لمحول الطاقة، يتم استخدام رقم الحجم الجدارة بشكل عام للقياس، وهي

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

تحدد الصيغة ⑴ عامل جدارة الحجم لنوع معين من محولات الطاقة، حيث: Wa هي قوة الصوت (W)، V هو حجم محول الطاقة (m3)، f0 هو تردد الرنين (هرتز)، Q هو عامل الجودة، ويرتبط عامل جدارة الحجم للجهاز ارتباطًا وثيقًا بالهيكل والمواد الوظيفية. قام ديلاني بتصميم وتطوير محول القرص المنحني المدمج (بندر)، وقام بتحليل ودراسة خصائص العمل لعملية بندر ذات التردد المنخفض والصغير الحجم وعالية الطاقة بشكل منهجي.

 

 

هناك أدبيات تصمم محولات الطاقة ذات البنية المقعرة من النوع الأول (نوع البرميل المقعر) إلى مجموعة أكثر إحكاما، والتي تمكن مجموعات محولات الطاقة المتعددة في حجم محدود من زيادة إزاحة الحجم إلى أقصى حد وتحقيق خصائص طاقة كبيرة، كما هو موضح في الشكل 21، يتم تجميع قمة محولات الطاقة المرنة من النوع 6 معًا لتشكيل محول طاقة مرن 'ثلاثي الأبعاد سداسي الرؤوس'، والذي يتميز بخصائص الهيكل المدمج، منخفض التردد والطاقة العالية ونطاق التردد الواسع: تردد الرنين الأساسي. استجابة جهد الإرسال عند 1.15 كيلو هرتز هي 127 ديسيبل، شاملة الاتجاهات، واستجابة جهد الإرسال من 800 هرتز إلى 10 كيلو هرتز أكبر من 120 ديسيبل. لم يتم ذكر معلمة FOMv في الأدبيات، ومن المتوقع أن تكون مكافئة أو أعلى من محول الطاقة المرن 'على شكل نجمة'.

التصميم والتحليل أعلاه لتحقيق الحجم الصغير والطاقة العالية يبدأ بشكل أساسي من الحدود الكهربائية والميكانيكية، ويأخذ في الاعتبار فقط كثافة الطاقة للمواد الوظيفية وحد الاهتزاز للهيكل. عندما يتطلب محول الطاقة نبضًا طويلًا أو تشغيلًا مستمرًا، فإن الحرارة وتبديد الحرارة لمحول الطاقة سيكون أكبر مشكلة في ظل ظروف الطاقة العالية. في هذا الوقت، يعد الحد الحراري هو العامل الرئيسي الذي يقيد الطاقة النهائية لمحول الطاقة. يعتبر الحد الحراري لمحول الطاقة من المسائل الأساسية المهمة التي تهتم بها الهندسة. تمامًا مثل تفاصيل عملية محول الطاقة، لا يوجد الكثير من الأوراق البحثية المنشورة علنًا. هناك مؤلفات لنمذجة وتحليل المشاكل الحرارية لمحولات الطاقة ذات التردد المنخفض والطاقة العالية، ومناقشة مشاكل التوصيل الحراري لمحولات الطاقة المرنة يانوس هيلمهولتز والنوع الرابع. عندما يعمل محول الطاقة في المياه الضحلة، وخاصة التردد المنخفض ونقل الطاقة العالية، فإن زيادة قوة الصوت ستكون أيضًا مقيدة بالحد الصوتي لعامل التجويف. في ظل هذه الخلفية، لم تعد طريقة زيادة قوة محول طاقة واحد فعالة. سيتم أيضًا تقييد المصفوفة الأساسية، بحيث لا توجد سوى طريقة واحدة لتشكيل مصفوفة أساسية متفرقة.

لذلك، عند تصميم محولات الطاقة منخفضة التردد وعالية الطاقة، من الضروري الاختيار العقلاني للشكل الهيكلي ومواد وظيفة القيادة، مع الأخذ في الاعتبار عوامل مثل الحد الكهربائي والحد الميكانيكي والحد الحراري والحد الصوتي، وإجراء تحليل شامل وتحسين شامل. هناك علاقة مثالية بين قوة الحد وحجم محول الطاقة. سيكون البحث المتعمق حول هذا الأمر أحد الاتجاهات الفنية لمحولات الطاقة المنخفضة التردد وعالية الطاقة في المستقبل.

 

⒋ الابتكار التكنولوجي لزيادة مقاومة الضغط الهيدروستاتيكي

في الوقت الحاضر، اقترح المجتمع الأكاديمي أفكارًا تنموية مثل المحيطات الشفافة والمحيطات المعلوماتية. والهدف هو السماح لتكنولوجيا المعلومات تحت الماء بتغطية جميع أركان المحيط، بما في ذلك المناطق القطبية والخنادق السحيقة. ولذلك، فقد طرحوا متطلبات لاستخدام محولات الطاقة الصوتية تحت الماء بعمق أكبر. حتى تحدي القدرة على العمل في أعماق البحار. ترتبط قدرة مقاومة الضغط الهيدروستاتيكي لمحول الطاقة ارتباطًا وثيقًا بهيكل محول الطاقة، خاصة بالنسبة لمحولات الطاقة ذات الانبعاثات منخفضة التردد ذات الصلابة الهيكلية المنخفضة. أصبح حل تكنولوجيا هيكل مقاومة الضغط الهيدروستاتيكي موضوعًا مهمًا في مجال تكنولوجيا محولات الطاقة الحالي. تشمل الأساليب والوسائل الفعالة الحالية لحل عمق العمل بشكل أساسي ملء السوائل، وملء السوائل المتوافقة مع الأنبوب، والدعم الهيكلي الطبيعي، وتعويض أسطوانة الغاز ذات الضغط العالي، وتعويض الوسادة الهوائية، وما إلى ذلك، في أعماق العمل التي تزيد عن 1000 متر، الطريقة التقنية الفعالة الوحيدة هي تكنولوجيا تعبئة السوائل، بما في ذلك نوع الفائض الحر يستخدم مياه البحر مباشرة كسائل تعبئة أو يملأ بعض وسائط مقاومة الزيت لتحقيق توازن الضغط الذاتي الساكن؛ في حدود 1000 متر، يمكن استخدام أنبوب الامتثال المقاوم للضغط في تجويف السائل في نفس الوقت لتحسين توافق تجويف السائل؛ في حدود 200 متر، يمكن للدعم الطبيعي للهيكل أن يتحمل الضغط الهيدروستاتيكي. يمكن لبعض محولات الطاقة ذات الصلابة الهيكلية المنخفضة جدًا (مثل محولات الطاقة ذات الملف المتحرك) استخدام أسطوانات هواء عالية الضغط لتوفير تعويض الضغط. بشكل عام، في حدود 100 متر، يمكن استخدام تعويض الوسادة الهوائية. يمكن بشكل عام تصميم محول الطاقة ذو الهيكل التجويف المقدم أعلاه كوضع عمل مملوء بالسوائل لتحقيق العمل في المياه العميقة. في هذا القسم، يتم تقديم العديد من الأمثلة التطبيقية لتصميم الهيكل المملوء بالزيت.

 

عمل كينديج البحثي المنشور في عام 1965، يجمع بين تطبيق 4 محولات طاقة طولية تعمل بأقراص سيراميكية كهرضغطية PZT-4، مملوءة بزيت السيليكون لحماية الفراغ المتكون بين الغلاف الفولاذي (بما في ذلك اللوحة المطاطية التي تنقل الصوت) ومحول الطاقة، ويتصل التجويف بغرفة السائل الخلفية. يتلامس المطاط النفاذ للصوت في الواجهة الأمامية والنافذة المطاطية في الطرف الخلفي مع مياه البحر لتحقيق توازن الضغط الداخلي والخارجي. عرض النطاق الترددي العامل لمحول الطاقة هو 30-50 كيلو هرتز، وقد تمت دراسة العمل ضمن نطاق الضغط الهيدروستاتيكي من 0-6.9 ميجا باسكال بشكل تجريبي. من المميزات أن طريقة توازن الضغط هذه لا تزال مستخدمة في العديد من صفائف السونار في المياه العميقة. يُظهر الشكل 22ب محول طاقة حلقي ذو تدفق حر مع هيكل مملوء بالزيت. يتم تعليق الحلقة الخزفية الكهرضغطية في غلاف مطاطي من مادة البولي يوريثين، ويتم تعبئة الجزء الداخلي بزيت السيليكون لتحقيق توازن الضغط مع العالم الخارجي. يعتبر الغلاف المطاطي من البولي يوريثين مادة مثالية لنقل الصوت، وهذا النوع من محولات الطاقة له خصائص عمل مماثلة مثل شكل طلاء التسريب المباشر لمطاط البولي يوريثين. بالنسبة للأنبوب الدائري PZT-4 Φ 150mm ×Φ 140mm × 50mm، تحليل المحاكاة ودراسة تجربة مطاط البولي يوريثين في نطاق التردد من 5 ～ 10 كيلو هرتز. يتم استبدال مادة الغلاف بسبائك التيتانيوم أو الفولاذ. ونتيجة لذلك، تقلل سبائك التيتانيوم من استجابة جهد الانبعاث بحوالي 6 ديسيبل، كما يقلل الفولاذ من استجابة جهد الانبعاث بحوالي 12 ديسيبل.

 

3. الاستنتاج

بالنظر إلى تاريخ تطور تكنولوجيا محولات الطاقة على مدار مائة عام، منذ ولادة أول محول طاقة كهرضغطية إلى التطور النشط لتكنولوجيا محولات الطاقة الحديثة، ظهرت الابتكارات التكنولوجية في محولات الطاقة الصوتية تحت الماء بشكل متكرر. تشمل الأهداف الرئيسية لابتكار وتطوير تكنولوجيا محولات الطاقة ما يلي: تبسيط العمليات المعقدة، واختراق الاختناقات التقنية، وإعادة كتابة الحدود التقنية، وتحسين الأداء الفني الشامل، واقتراح مفاهيم جديدة وآليات جديدة، وتوليد وتطوير اتجاهات تقنية جديدة، وتعميق وإتقان نظرية تخصصات نظام محولات الطاقة وما إلى ذلك. تقدم هذه المقالة بعض الحالات البحثية التي تعكس التصميم المبتكر والحرفية الرائعة لمحول الطاقة من جوانب تطبيق المواد الجديدة، وهيكل وتقنية محول الطاقة الجديد، وما إلى ذلك.