Новы тып падводнага акустычнага пераўтваральніка і новая тэхналогія пераўтваральніка

Акустычныя хвалі з'яўляюцца адзіным носьбітам, які ёсць у людзей, які можа перадаваць інфармацыю і энергію на вялікія адлегласці ў велізарным акіяне. На сушы людзі выкарыстоўваюць электрамагнітныя хвалі для стварэння радараў. Аналагічным чынам людзі выкарыстоўваюць акустычныя хвалі ў якасці носьбітаў інфармацыі для распрацоўкі падводных мэтаў для выяўлення, а таксама электроннага абсталявання для пазіцыянавання, ідэнтыфікацыі і гідралакатара сувязі. Сутыкаючыся з велізарным акіянам, гідралакатар выконвае важную задачу, якая дасягае ўсіх куткоў вялізнага акіяна, ідэнтыфікуе розныя рэчы ў ім, якія расказваюць людзям сапраўдны твар падводнага свету і дапамагаюць людзям даследаваць таямніцы акіяна, каб стаць падводнай камунікацыйнай навігацыяй, водным рыбалоўствам, распрацоўкай марскіх рэсурсаў, марской геалогіі і геамарфалогіі. Прычына, па якой гукавыя хвалі становяцца лепшым носьбітам падводнай інфармацыі, заключаецца ў тым, што ў вадзе гукавыя хвалі маюць найменшы каэфіцыент згасання ў параўнанні з іншымі фізічнымі палямі, такімі як электрамагнітныя хвалі, і могуць перадавацца на вялікія адлегласці. Гэта перавага робіць гідралакатар з дапамогай ультрагукавых хваль для назірання пад вадой з самага пачатку. Мэта пачынаецца і працягвае развівацца. У цяперашні час працоўны дыяпазон частот гідралакатара пашыраны да шырокага дыяпазону. Актыўны гідралакатар быў пашыраны з дзесяткаў Гц да дзясяткаў МГц, а нізкачашчынны канец пасіўнага гідралакатара быў пашыраны да інфрагукавога дыяпазону. У такой шырокай паласе частот, у адпаведнасці з правіламі, важная прылада, якая стымулюе і генеруе гукавыя хвалі ў выглядзе сігналаў і пачуццяў і прымае гукавыя хвалі ў вадзе без скажэнняў, называецца гідралакацыйны пераўтваральнік або гідралакатарная рашотка. Гэтыя прылады з'яўляюцца ўваходным абсталяваннем гідралакацыйнай сістэмы, а таксама «акном» для ўзаемадзеяння гідралакацыйнай сістэмы з водным асяроддзем і абмену інфармацыяй, а таксама з'яўляюцца «рэалізатарамі» функцый гідралакацыйнай сістэмы для пераўтваральнікаў гідралакатара або масіваў гідралакутараў. Гэта ярка называюць «вачамі і вушамі» гідралакацыйнай сістэмы. З бесперапынным пашырэннем сферы прымянення гідраакустычных тэхналогій і пастаянна ўзрастаючым попытам на ваеннае супрацьстаянне і баявыя дзеянні адна за адной з'яўляліся новыя прынцыпы, новыя тэхналогіі і новае гідраакустычнае абсталяванне. Патрабаванні да распрацоўкі новай тэхналогіі гідралакатара прывялі да хуткага развіцця тэхналогіі пераўтваральнікаў і такіх жа тэхналагічных прарываў у галіне пераўтваральнікаў і распрацоўкі новых матэрыялаў, новых механізмаў і новых структур падводныя акустычныя пераўтваральнікі таксама зрабілі сістэму гідралакатара «асвяжальнай». Вось кароткі агляд стану развіцця тэхналогіі пераўтваральнікаў за апошнія гады, заснаваны на інфармацыі, якой валодае аўтар, і на абмежаваным узроўні разумення. Гэта ў асноўным уключае гідраакустычны пераўтваральнік з новага матэрыялу, новую структуру і новы механізм гідраакустычнага пераўтваральніка, новы тып гідрафона, тэхналогію шырокапалоснага пераўтваральніка і гэтак далей.

 

2 Падводны акустычны пераўтваральнік з новага матэрыялу

 

Датчык - гэта прылада, якая ажыццяўляе пераўтварэнне энергіі ў гідраакустычнай сістэме. У пераўтваральніку ёсць спецыяльны матэрыял, які валодае здольнасцю пераўтвараць энергію. Гэты матэрыял называюць функцыянальным. Функцыянальныя матэрыялы, якія выкарыстоўваюцца для вырабу пераўтваральнікаў, у асноўным уключаюць п'езаэлектрычныя матэрыялы (такія як п'езаэлектрычныя крышталі, п'езаэлектрычная кераміка, п'езаэлектрычныя палімеры і г.д.) і магнітастрыктыўныя матэрыялы (такія як нікель, кобальт, сплавы жалеза і нікеля, ферыты, сплавы рэдказямельнага жалеза і г.д.), яны выкарыстоўваюць п'езаэлектрычны эфект і магнітастрыкцыйны эфект для рэалізацыі ўзаемнага пераўтварэння энергіі электрычнага поля або энергіі магнітнага поля і механічнай энергіі. Прарыў у тэхналогіі пераўтваральнікаў фундаментальна вызначаецца тэхналагічным прарывам функцыянальных матэрыялаў. У апошнія гады розныя тэхнічныя дасягненні ў галіне функцыянальных матэрыялаў таксама прывялі да развіцця тэхналогіі пераўтваральнікаў. Доктар выявіў, што лантаніды рэдказямельных матэрыялаў валодаюць дзіўнымі магнітастрыкцыйнымі ўласцівасцямі, але яны не выкарыстоўваліся на практыцы, таму што кропка Кюры ніжэй пакаёвай тэмпературы. Пазней было выяўлена, што бінарныя, трайныя або чацвярцічныя сплавы, якія складаюцца з рэдказямельных элементаў і жалеза, таксама валодаюць гіганцкімі магнітастрыкцыйнымі ўласцівасцямі пры пакаёвай тэмпературы. Найбольш прадстаўнічым рэдказямельных сплавам з'яўляецца Терфенол-Д (склад Tb0,27Dy0,73Fe1). 95), ён стаў новым тыпам функцыянальнага матэрыялу, які прыцягнуў вялікую ўвагу з 1980-х гадоў. Рэлаксацыйны сегнетоэлектрычны монакрышталічны ніябат магнію-тытаната свінцу (PMN-PT) і ніябат-цынку свінцу-тытанат свінцу (называецца PZN-PT) - гэта новыя тыпы кампазітных крышталічных матэрыялаў перовскита, і яны таксама з'яўляюцца класам новых функцыянальных матэрыялаў з вялікімі перспектывамі прымянення. Да гэтага нікель звычайна выкарыстоўваўся ў якасці матэрыялу для пераўтваральнікаў. У 1917 годзе французскі вучоны Ланжэвен стварыў гідралакацыйны пераўтваральнік з кварцавым крышталем, стварыўшы прэцэдэнт для прымянення п'езаэлектрычных матэрыялаў у гідралакатарах. У 1940-я гады кераміка BaTiO3 pzt з моцнымі п'езаэлектрычнымі ўласцівасцямі была паспяхова распрацавана і шырока выкарыстоўвалася ў гідраакустычных сістэмах. П'езаэлектрычная кераміка PZT, распрацаваная ў 1950-х гадах, мае шырокі дыяпазон працоўных тэмператур і выдатныя электрамеханічныя ўласцівасці. Эфектыўнасць пераўтварэння кампенсуе недастатковасць керамікі Ba TiO3, якая калісьці стала абраным матэрыялам для падводных акустычных пераўтваральнікаў. Сярод іх п'езаэлектрычны керамічны матэрыял з высокай шчыльнасцю энергіі - PZT-8. Простае параўнанне вышэйпералічаных матэрыялаў: Терфенол-D, PMN-PT, PZN-PT могуць вырабляць напружанне прыкладна ў 5 разоў больш, чым PZT-8 і ў 50 разоў больш, чым нікель; п'езаэлектрычныя канстанты PMN-PT і PZN-PT складаюць d33. Гэта ў 6-8 разоў больш, чым у матэрыялу PZT-8. Выкарыстанне гэтых матэрыялаў pzt для распрацоўкі новых падводных акустычных пераўтваральнікаў з'яўляецца адной з актуальных актуальных тэм.

 

Магнітастрыкцыйны матэрыял ст цыліндрычны падводны акустычны пераўтваральнік з'яўляецца рэдкім зямным гіганцкім магнітастрыкцыйным матэрыялам, які выкарыстоўвае магнітастрыкцыйны эфект для рэалізацыі ўзаемнага пераўтварэння энергіі магнітнага поля і механічнай энергіі, і ў асноўным выкарыстоўваецца для распрацоўкі нізкачашчынных і магутных падводных акустычных пераўтваральнікаў. Гэта свайго роду «складаная» структура пераўтваральніка - высокатэмпературны звышправодны магнітастрыкцыйны гідраакустычны пераўтваральнік. З пункту гледжання структуры пераўтваральніка, яго структура вельмі простая. Гэта звычайны падоўжны пераўтваральнік з двума выпраменьвальнікамі. Так званы «комплекс» тут адносіцца да яго багатага фізічнага адцення. Магнітастрыкцыйная сіла рэдказямельных сплаваў пры нізкай тэмпературы большая, чым пры пакаёвай тэмпературы. Напрыклад, максімальная магнітастрыкцыйная дэфармацыя Tb0,6Dy0,4 пры тэмпературы 77K складае 0,65%, у той час як Terfenol-D знаходзіцца пры пакаёвай тэмпературы. Найбольшая магнітастрыкцыйная дэфармацыя складае 0,25%. Распрацаваны магнітастрыкцыйны гідраакустычны пераўтваральнік з матэрыялу Tb0.6Dy0.4 з дыяпазонам тэмператур 50-60 К: стрыжанепадобны матэрыял з рэдказямельнага сплаву змяшчаецца ў памяшканне кандыцыянера, а градзірня халадзільніка цыклічна астуджаецца, а памяшканне кандыцыянера забяспечваецца змеявіком са звышправодным матэрыялам. Магнітнае поле зрушэння і магнітнае поле ўзбуджэння ўзбуджаюць магнітастрыкцыйны стрыжань, ствараючы вібрацыю расцяжкі, якая перадаецца на выпраменьвальную паверхню поршня праз механічную пераходную частку, а выпраменьвальная паверхня поршня штурхае вадзяное асяроддзе для генерацыі выпраменьвання хвалі ціску. Для ізаляцыі цеплаправоднасці ў канструкцыі ўбудавана вакуумная камера. Знешняя сценка вакуумнай камеры ўяўляе сабой купалападобную стойкую да ціску вечка, якая вытрымлівае ціск 10 атмасфер. Асноўныя тэхнічныя параметры наступныя: рэзанансная частата 430 Гц, максімальны ўзровень крыніцы гуку 181,4 дб, ККД каля 25%. Працэс вырабу такога пераўтваральніка складаны. У апошнія гады людзі па-ранейшаму гатовыя выкарыстоўваць матэрыял тэрфенол-D, які працуе пры пакаёвай тэмпературы, адмовіцца ад некаторай магнітастрыкцыйнай дэфармацыі і замяніць яго новай структурай для дасягнення выдатных характарыстык выпраменьвання. Ніжэй прыведзены кароткія ўводзіны ў ход даследаванняў некалькіх структурных магнітастрыкцыйных матэрыялаў у падводных акустычных пераўтваральніках. Падоўжны пераўтваральнік мае простую канструкцыю. Магнітастрыкцыйны стрыжань аб'яднаны з пярэдняй выпраменьвальнай галавой і хваставой масай, утвараючы падобную аднамерную сістэму вібрацыі. Пярэдняя выпраменьвальная галоўка, як правіла, зроблена з лёгкіх матэрыялаў, а хваставая частка, як правіла, зроблена з шчыльных матэрыялаў для атрымання выпраменьвальнай паверхні. Выхад большага вібрацыйнага зрушэння. Прадстаўлены два падоўжных пераўтваральніка, распрацаваныя з матэрыялаў Terfenol-D. Адзін — агульны падоўжны пераўтваральнік з рэзананснай частатой 1200 Гц, гукавой магутнасцю 3 кВт і масай пераўтваральніка 60 кг; другі - рэдказямельны стрыжань на абодвух канцах. Выкананы ў выглядзе рупорнага двухбаковага выпраменьваючага падоўжнага пераўтваральніка з рэзананснай частатой 400 Гц, гукавой магутнасцю 1,5 кВт, масай пераўтваральніка да 100 кг. Кольцападобны пераўтваральнік: правільны шматкутнік, акружаны шэрагам рэдказямельных стрыжняў, і серыя круглых дуговых паверхняў узбуджаюцца пераходнай часткай для стварэння радыяльных ваганняў для дасягнення магутнага акустычнага выпраменьвання. Была распрацавана серыя рэдказямельных нізкачашчынных высокамагутных тараідальных пераўтваральнікаў, уключаючы пераўтваральнікі з рэзананснай частатой 200 Гц (унутраны дыяметр 0,56 м, знешні дыяметр 0,94 м, вышыня 0,37 м, узровень крыніцы гуку 193 дБ, вага 410 кг) і пераўтваральнік з рэзананснай частатой 30 Гц (дыяметр 2 м, вышыня 1,1 м, узровень крыніцы гуку 195 дБ, вага 5 т). Датчык гнуткага расцяжэння - гэта свайго роду пераўтваральнік, які выкарыстоўвае падоўжную вібрацыю п'езаэлектрычнага керамічнага стэка або магнітастрыкцыйнага стрыжня для ўзбуджэння радыяцыйнай паверхні абалонкі (або пучка ствала) з эфектам узмацнення амплітуды для выгібнай вібрацыі. Пералічаны некалькі часта выкарыстоўваюцца датчыкаў. Тыпы датчыкаў згінання і расцяжэння, сярод якіх I, II і III маюць аднолькавыя характарыстыкі. Падоўжны вагальны стрыжань ўзбуджае вярчальна-сіметрычную выгнутую абалонку. Абалонка можа быць суцэльнай канструкцыяй або канструкцыяй, разрэзанай на групу бэлек. Пёрселл выкарыстаў матэрыял Terfenol-D для распрацоўкі пераўтваральніка выгібу-напружання з увагнутай ствалавой бэлькай (тып III) з рэзананснай частатой 1300 Гц, узроўнем крыніцы гуку 188,7 дБ і паласой прапускання 600 Гц. З-за выкарыстання аднаго стрыжня адкрытага магнітнага контуру, рэзанансная частата Максімальная электраакустычная эфектыўнасць пераменнага току складае ўсяго 7%, а вага пераўтваральніка складае 2,7 кг. Датчыкі згінання рыбінай губы маюць агульныя характарыстыкі. Пераўтваральнік узбуджаецца падоўжным вібруючым стрыжнем для згінання выпуклай або ўвагнутай эліптычнай абалонкі для дасягнення выпраменьвання высокай магутнасці. Датчык згінання рыбінай губы выкарыстоўвае эфект узмацнення амплітуды. Эфект узважвання з плошчай павялічвае магутнасць гукавога выпраменьвання. Паведамляецца, што гэты новы тып нізкачашчыннага высокамагутнага падводнага акустычнага пераўтваральніка, уключаючы рэзанансныя частоты 210 Гц, 450 Гц, 800 Гц і 1200 Гц, вынікі даследаванняў гэтага новага тыпу пераўтваральніка ў цяперашні час выкарыстоўваецца ў нізкачашчынных актыўных гідралакатараў, акустычных акустычных сістэмах, такіх як мэтавыя крыніцы гуку і імітатары шуму.

 

Рэлаксацыйны падводны акустычны пераўтваральнік з сегнетоэлектрычнага матэрыялу

 

Рэлаксорныя сегнетоэлектрычныя матэрыялы з'яўляюцца свайго роду патэнцыйнымі функцыянальнымі матэрыяламі, якія можна падзяліць на тыпы электрастрыкцыйнай керамікі і рэлаксарныя сегнетоэлектрычныя монакрышталі. Працэс вытворчасці сегнетоэлектрычных монакрышталяў рэлаксараў значна больш складаны, чым электрастрыкцыйных керамічных матэрыялаў. Даследчыкі выкарыстоўвалі гэтыя матэрыялы для стварэння розных тыпаў датчыкаў, такіх як датчыкі выгібу, падоўжныя датчыкі і гэтак далей. Тэхналогія вытворчасці пераўтваральніка з гэтага тыпу матэрыялу больш складаная, і неабходна дадаць пастаяннае электрычнае поле зрушэння, прымяніць папярэдняе напружанне і кантраляваць тэмпературу працэсу. Выкарыстанне электрастрыкцыйнай керамікі PMN-PT-BT (ніябат магнію свінцу-тытанат свінцу-тытанат барыю) распрацавала пераўтваральнік згінання расцяжэння тыпу IV. Вынікі даследаванняў паказваюць, што распрацаваны пераўтваральнік не максымізаваў патэнцыял матэрыялу. Гэтая праца па-ранейшаму будзе адной з гарачых кропак, якія трэба будзе даследаваць у галіне падводных акустычных пераўтваральнікаў на некаторы перыяд часу. Выкарыстанне сегнетоэлектрычнага монакрысталічнага матэрыялу рэлаксара PMN-PT для вывучэння 64 каналаў ультрагукавога зонда з частатой 3,5 МГц, які выкарыстоўваецца ў медыцынскім У-ультрагукавым абсталяванні і каляровым ультрагукавым доплеравскім апараце для візуалізацыі, што сведчыць аб тым, што сегнетоэлектрычны монакрышталічны рэлаксарны матэрыял у высокачашчынным гідралакатары.

 

П'езаэлектрычная палімерная плёнка сферычны падводны акустычны пераўтваральнік можа быць зроблены ў выглядзе гнуткай мембраны, і пераўтваральнік можа быць сканструяваны ў любой форме пры вырабе пераўтваральніка, і акустычны імпеданс матэрыялу нізкі, і лёгка дасягнуць імпедансу з вадой і іншымі вадкімі асяроддзямі і біялагічнымі тканінамі. Супастаўленне, якое часта выкарыстоўваецца для вырабу высокачашчынных стандартных гідрафонаў, высокачашчынных датчыкаў, медыцынскіх ультрагукавых датчыкаў, канформных масіваў і разнастайных кампазітных масіваў датчыкаў. Звычайна выкарыстоўваным п'езаэлектрычным палімерам для вырабу датчыкаў з'яўляецца ў асноўным полівінілідэнфтарыд (PVDF). У цяперашні час больш прывабная плёнка з п'езаэлектрычнага палімернага матэрыялу EMFi (абрэвіятура ад электрамеханікафіл) уяўляе сабой разнавіднасць гнуткай плёнкі з успененага поліпрапілена, яе п'езаэлектрычная пастаянная прыкладна ў 10 разоў большая, чым у ПВДФ, і яе можна выкарыстоўваць для вырабу высокаадчувальных пераўтваральнікаў. Структура тонкаплёнкавага пераўтваральніка EMFi мае дыяметр прыёмнай паверхні 35 мм, а адчувальнасць прыёму пераўтваральніка перавышае -190 дБ (эталоннае значэнне складае 1 В/мкПа). Гэты выгляд пераўтваральніка таксама можна выкарыстоўваць у паветры для прыёму або выпраменьвання гукавых хваль.

 

Укараненне новай структуры падводнага акустычнага пераўтваральніка і розных механізмаў трансдукцыі. Функцыянальныя матэрыялы важныя для пераўтваральніка, але яны павінны прайгравацца адпаведнай структурай. Такім чынам, канструктыўная канструкцыя пераўтваральніка здаецца асабліва важнай пры распрацоўцы тэхналогіі пераўтваральнікаў. важны. У адпаведнасці з рознымі сферамі прымянення і рознымі тэхнічнымі патрабаваннямі або ў адпаведнасці з характарыстыкамі розных механізмаў трансдукцыі і функцыянальных матэрыялаў адзін за адным з'яўляюцца розныя тыпы пераўтваральнікаў, многія з якіх аб'ядноўваюць міждысцыплінарныя тэхналогіі, каб сумесна адкрываць новыя пазіцыі Тэхнічныя цяжкасці для задавальнення некаторых спецыяльных тэхнічных патрабаванняў. Тыповым прыкладам з'яўляецца высокатэмпературны звышправодны магнітастрыкцыйны гідраакустычны пераўтваральнік. У прыведзеным вышэй змесце гэтага артыкула і тыпах пераўтваральнікаў, якія будуць прадстаўлены пазней, шмат таксама новых канструкцый і новых механізмаў падводных акустычных пераўтваральнікаў. Каб не паўтарацца, у гэтым раздзеле прыводзяцца толькі два іншых прыклады праектавання новых структур.

 

Датчык тыпу талеркі (цымбал) - гэта пераўтваральнік новай структуры, падобны на датчык згінання. Кожны пераўтваральнік тыпу талеркі складаецца з пары п'езаэлектрычных керамічных дыскаў PZT і аднаго металічнага каўпачка, злучанага разам. П'езаэлектрычны керамічны дыск PZT прыкладае пераменнае напружанне для генерацыі радыяльнай вібрацыі для ўзбуджэння металічнага каўпачка для вібрацыі пры выгіне, а падняты металічны каўпачок пераўтваральніка стварае пераменную вібрацыю 'пашырэння-ўсаджвання'. Радыяцыйныя гукавыя хвалі. Калі адна і тая ж пераменная хваля ціску ўздзейнічае на металічны каўпачок, ціск будзе перадавацца на п'езаэлектрычны керамічны дыск PZT, а пераменнае напружанне выводзіцца на двух полюсах керамічнага дыска, які выкарыстоўваецца ў якасці прыёмнага пераўтваральніка. Рэзанансная частата пераўтваральніка тыпу талеркі ў вадзе складае 16,1 кГц, а характарыстыка напругі выпраменьвання - 130 дБ (эталоннае значэнне - 1 мкПа/В, на адлегласці 1 м). На малюнку 5 таксама паказана фота 9-элементнай матрыцы, складзенай з гэтага тыпу пераўтваральніка. . У нізкачашчынным п'езаэлектрычным пераўтваральніку тыпу спіральнай спружыны п'езаэлектрычная кераміка апрацоўваецца ў форму спіральнай спружыны (як паказана на малюнку 6),п'езаэлектрычны керамічны пераўтваральнік палярызуецца ў тангенцыяльным кірунку, а затым будуецца пара ўзбуджальных электродаў. Нейтральны ўчастак без электродаў у сярэдзіне аддзелены, каб сфармаваць вонкавую кальцавую электродную пару 1 і ўнутраную кальцавую электродную пару 2 (гл. павялічаную схематычную схему невялікага фрагмента на мал. 6). Такім чынам, напруга ўзбуджэння V падаецца на пару электродаў, частка п'езаэлектрычнай керамікі, якая кіруецца парай электродаў вонкавага кальца і парай электродаў унутранага кольца, будзе ствараць супрацьлеглыя вібрацыі (пашырэнне або сцісканне), а рух сістэмы спружыны пры пашырэнні і сцісканні будзе прымушаць рабочую паверхню поршня вібраваць гукавую энергію. З-за нізкай калянасці гэтай канструкцыі яна мае нізкую рэзанансную частату і можа выкарыстоўвацца ў якасці нізкачашчыннага пераўтваральніка. Пры выкарыстанні ў якасці прымача ён таксама валодае высокай адчувальнасцю ў дыяпазонах нізкіх частот. Зыходзячы з п'езаэлектрычнага ўраўнення, была атрымана электрамеханічная залежнасць пераўтварэння гэтага тыпу пераўтваральніка, а таксама праведзены некаторыя пошукавыя даследаванні.

 

Знаёмства з рознымі механізмамі пераўтварэння энергіі ў падводных акустычных пераўтваральніках З пункту гледжання пераўтварэння энергіі пераўтваральнікі можна ў асноўным падзяліць на п'езаэлектрычныя пераўтваральнікі, якія выкарыстоўваюць п'езаэлектрычны эфект для дасягнення пераўтварэння энергіі, і магнітныя, якія выкарыстоўваюць магнітастрыкцыйны эфект для дасягнення пераўтварэння энергіі. Высоўныя пераўтваральнікі, пераўтваральнікі, якія ўдзельнічаюць у вышэйзгаданым змесце, належаць да гэтых двух тыпаў.