أنواع وتصميمات محولات الطاقة الصوتية تحت الماء(1)

الموجات الصوتية هي الناقلات الوحيدة التي أتقنها الإنسان لنقل المعلومات والطاقة لمسافات طويلة في البحر الواسع. يستخدم الناس الموجات الكهرومغناطيسية لتطوير الرادارات. وبالمثل، يستخدم الناس الموجات الصوتية كحاملات للمعلومات من أجل التطور محول صوتي تحت الماء . المعدات الإلكترونية لتحديد المواقع وتحديد الهوية والاتصالات السونار. في مواجهة المحيط الشاسع، تعد أكتاف السونار مهمة مهمة: فهي الوصول إلى جميع أركان البحر الشاسع، والتعرف على الأشياء المختلفة، وإخبار الناس بالوجه الحقيقي للعالم تحت الماء، ومساعدة الناس على استكشاف أسرار المحيط. لتصبح ملاحة اتصالات تحت الماء، فهي في مجالات تربية الأحياء المائية، ومصايد الأسماك، وتنمية الموارد البحرية، والاستكشاف الجيولوجي والجيومورفولوجي البحري، والأسلحة العسكرية، وما إلى ذلك. والسبب في أن الموجات الصوتية أصبحت أفضل ناقل للمعلومات تحت الماء هو أن الموجات الصوتية في وسط الماء لديها أصغر معامل توهين مقارنة بالمجالات الفيزيائية الأخرى مثل الموجات الكهرومغناطيسية، ويمكن الحصول على انتشار لمسافات طويلة. هذه الميزة تجعل السونار الذي يرصد تحت الماء من الاستخدام الأولي للموجات فوق الصوتية. يبدأ الهدف ويستمر في التطور. في الوقت الحاضر، تم توسيع نطاق تردد عمل السونار إلى نطاق واسع. يتراوح السونار النشط من عشرات الهرتز إلى عدة عشرات من الميغاهرتز. تم تمديد التردد المنخفض للسونار السلبي إلى نطاق الموجات فوق الصوتية. في مثل هذا النطاق الترددي الواسع، وفقا للوائح. ويثير شكل الإشارة جهازا مهما يولد موجات صوتية ويستشعرها ويستقبل الموجات الصوتية في الماء دون تشويه. وهذا ما يسمى محول السونار أو مجموعة السونار. هذه الأجهزة هي المعدات الأمامية لنظام السونار. وهي أيضًا 'نافذة' لنظام السونار للتفاعل مع الوسط المائي وتبادل المعلومات معه. إنها نظام السونار، لذا يُشار إلى محول طاقة السونار أو مصفوفة السونار بشكل واضح باسم 'عيون وآذان' نظام السونار. مع التوسع المستمر في مجال تطبيق تكنولوجيا السونار، فإن تحسين المواجهة العسكرية والاحتياجات التشغيلية لها مبادئ جديدة، وتقنيات جديدة، وظهرت معدات السونار الجديدة في تيار لا نهاية له. لقد أدى تطوير تكنولوجيا السونار الجديدة إلى التطور السريع لتقنية السونار محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية تحت الماء . تكنولوجيا نفس الاختراقات التكنولوجية في مجال محولات الطاقة وتطوير مواد جديدة وآليات جديدة ومحولات طاقة هيكلية جديدة جعلت أيضًا من نظام السونار مظهرًا جديدًا. فيما يلي نظرة عامة موجزة عن تطور تكنولوجيا محول الطاقة، بما في ذلك محول الطاقة الصوتي المائي للمواد الجديدة، والهيكل الجديد ومحول الطاقة الصوتي المائي الجديد، ومكبرات الصوت المائية الجديدة، وتكنولوجيا محول الطاقة ذات النطاق العريض، وما إلى ذلك.

 مادة جديدة محول صوتي تحت الماء :

ال محولات الطاقة الكهرضغطية ADCP هي جهاز ينفذ تحويل الطاقة في نظام السونار. هناك مادة خاصة لديها القدرة على تحويل الطاقة. تسمى هذه المادة بالمواد الوظيفية. تشتمل المواد الوظيفية المستخدمة في تصنيع محول الطاقة بشكل أساسي على المواد الكهرضغطية (مثل البلورات الكهرضغطية والسيراميك الكهروإجهادي والبوليمرات الكهرضغطية وما إلى ذلك) والمواد المقترنة بالمغناطيس (مثل النيكل والكوبالت وسبائك الحديد والنيكل والفريت والسبائك الحديدية الأرضية النادرة وما إلى ذلك)، فهي تستخدم التأثير الكهرضغطي والتأثير المغناطيسي لتحقيق التحويل المتبادل بين طاقة المجال الكهربائي وطاقة المجال المغناطيسي والطاقة الميكانيكية. يتم تحديد الاختراق في تكنولوجيا محولات الطاقة بشكل أساسي من خلال الاختراقات التكنولوجية في المواد الوظيفية. في السنوات الأخيرة، أدت الإنجازات التقنية في مختلف مجالات المواد الوظيفية أيضًا إلى تطوير تكنولوجيا محولات الطاقة. في عام 1963، اكتشف الدكتور كلارك أن المواد الأرضية النادرة من سلسلة اللانثانيدات لها خصائص تقبُّض مغناطيسي مذهلة، لكنها لم توضع موضع الاستخدام العملي لأن نقطة الكوري أقل من درجة حرارة الغرفة. لقد وجد أن العناصر الأرضية النادرة والحديد المكون من سبائك ثنائية أو ثلاثية أو رباعية لها أيضًا خصائص فائقة المغناطيسية في درجة حرارة الغرفة. سبيكة الأرض الأكثر تمثيلا هي Terfenol (مكونات Tb، Dy، Fe).

لقد أصبحت مادة وظيفية جديدة حظيت باهتمام كبير منذ الثمانينيات. إن البلورة العازلة أحادية البلورة من سيليكات المغنيسيوم تيتانات الرصاص (PMN-PT) وتيتانات الرصاص سيترات البزموت (PZN-PT)، هي نوع جديد من المواد البلورية البيروفسكايت المركبة، وهو أيضًا ارتفاع مفاجئ. فئة جديدة من المواد الوظيفية ذات التطبيقات الواعدة. قبل ذلك، كان النيكل شائع الاستخدام في مواد محولات الطاقة الخاصة بمكتشف العمق. في عام 1917، استخدم العالم الفرنسي لانج زيوان بلورة الكوارتز لصنع محول طاقة السونار، مما يشكل سابقة لتطبيق المواد الكهرضغطية على السونار في أربعينيات القرن العشرين، BaTiO ذو الخصائص الكهرضغطية القوية. وقد تم تطوير السيراميك الانضغاطي بنجاح واستخدامه على نطاق واسع في أنظمة السونار خلال الحرب العالمية الثانية؛ تم تطوير السيراميك الكهرضغطي PZT في الخمسينيات من القرن الماضي لتعويض Ba-TiO، والسيراميك بنطاق درجة حرارة التشغيل الواسع وكفاءة التحويل الكهروميكانيكية الممتازة. عيوب مادة السبائك الأرضية النادرة، والتي كانت في السابق المادة المفضلة لمحولات الطاقة الصوتية المائية، فهي أكبر في درجات الحرارة المنخفضة عنها في درجة حرارة الغرفة، مثل Tb وDy0 عند 77 كلفن. تبلغ قيمة الحد الأقصى لسلالة التقبُّض المغناطيسي للمادة 0.65%، بينما يحتوي Tefenol-D على سلالة تقبُّض مغناطيسي بنسبة 0.25% في درجة حرارة الغرفة.

حول محول الطاقة الصوتية المائية بالموجات فوق الصوتية، يتم وضع مادة قضبان السبائك الأرضية النادرة في غرفة الهواء البارد، ويتم تدويرها وتبريدها بواسطة برج التبريد بالثلاجة. يتم تزويد غرفة الغاز البارد بمجال مغناطيسي متحيز للتيار المستمر ومجال مغناطيسي للإثارة بواسطة ملف المادة فائقة التوصيل، ويتم تحفيز قضيب التقبض المغناطيسي لتوليد اهتزاز التمدد ويمر عبر الماكينة. يتم نقل الانتقال إلى سطح يشع المكبس، ويدفع سطح يشع المكبس وسط الماء لتوليد إشعاع موجة الضغط. تم تصميم غرفة الفراغ في الهيكل، والغرض من ذلك هو عزل توصيل الحرارة. الجدار الخارجي لغرفة التفريغ عبارة عن غطاء مقاوم للضغط، يمكنه تحمل ضغط 10 أجواء. المعلمات التقنية الرئيسية هي كما يلي: تردد الرنين 430 هرتز، الحد الأقصى لمستوى مصدر الصوت 181.4 ديسيبل، الكفاءة حوالي 25%. هذا النوع من محولات الطاقة معقد في عملية التصنيع. في السنوات الأخيرة، لا يزال الناس على استعداد لاستخدام مواد Terfenol-D التي تعمل في درجة حرارة الغرفة، والتخلص من بعض سلالات التقبُّض المغناطيسي واستبدالها بهياكل جديدة لتحقيق الأداء الإشعاعي. 

فيما يلي مقدمة موجزة عن التقدم البحثي للعديد من المواد الهيكلية المغناطيسية محول الطاقة الصوتية تحت الماء . يحتوي محول الطاقة الطولي على بنية بسيطة، ويتم دمج قضيب التقبيق المغناطيسي مع رأس الإشعاع الأمامي وكتلة الذيل لتشكيل نظام اهتزاز أحادي البعد. رأس الإشعاع الأمامي بشكل عام عبارة عن مادة خفيفة الوزن، وكتلة الذيل عبارة عن مادة كثيفة بشكل عام لتحقيق سطح إشعاع وإزاحة اهتزاز أكبر. تم تقديم نوعين من محولات الطاقة الطولية التي تم تطويرها باستخدام مواد Terfenol-D. أحدهما عبارة عن محول طاقة طولي عام بتردد رنين يبلغ 1200 هرتز، وقوة صوت تبلغ 3 كيلووات، ووزن محول طاقة يبلغ 60 كجم. والآخر هو طرفي قضيب الأرض النادرة. لقد تم تصميمها كمحولات طاقة طولية مشعة مزدوجة النهاية بتردد رنين يبلغ 400 هرتز، وقوة صوت تبلغ 1.5 كيلووات ووزن محول يبلغ 100 كجم. حول
محول طاقة استشعار العمق بالموجات فوق الصوتية الدائري، يتكون من عدد من قضبان أرضية نادرة تحيط بمضلع منتظم، وسلسلة من الأسطح الدائرية متحمسة بواسطة قطعة انتقالية للاهتزاز الشعاعي لتحقيق إشعاع صوتي عالي الطاقة. التي طورت سلسلة من محولات الطاقة الحلقية ذات التردد المنخفض الأرضية النادرة، بتردد رنان يبلغ 200 هرتز (القطر الداخلي 0.56 م، القطر الخارجي 0.94 م، الارتفاع 0.37 م، مستوى مصدر الصوت 193 ديسيبل، الوزن) 410 كجم) ومحول الطاقة بتردد الرنين 30 هرتز (قطر 2 م، الارتفاع 1.1 بوصة، مستوى مصدر الصوت 195 ديسيبل، الوزن) 5 طن).