Прагрэс даследаванняў і магчымасці развіцця тэхналогіі падводных акустычных пераўтваральнікаў

 

The падводны акустычны пераўтваральнік - тып датчыка, які рэалізуе пераўтварэнне гуку і іншых формаў энергіі або інфармацыі ў водным асяроддзі; падводны акустычны пераўтваральнік - гэта ўваходнае абсталяванне гідраакустычнай сістэмы, а таксама ўзаемадзеянне паміж гідралакацыйнай сістэмай і водным асяроддзем для абмену інфармацыяй. акно'. Поле даследаванняў і распрацовак тэхналогіі падводных акустычных пераўтваральнікаў прадугледжвае інтэграцыю некалькіх дысцыплін, і цесна звязаныя дысцыпліны ў асноўным ўключаюць у сябе: фізіку, матэрыялазнаўства, матэматыку, механіку, электроніку, хімію, механіку і г.д., таму распрацоўка падводных акустычных пераўтваральнікаў цесна звязана з дасягненнямі іншых асноўных дысцыплін і ў той жа час абмежавана развіццём розных сумежных Мяркуючы з дзесяцігоддзяў гісторыі развіцця гідраакустычных пераўтваральнікаў у маёй краіне, самая вялікая матывацыя развіцця зыходзіць з патрабаванняў да прымянення ў галіне гідраакустычнай тэхналогіі, але да канца 20-га стагоддзя распрацоўцы тэхналогіі гідраакустычных пераўтваральнікаў у маёй краіне не хапала агульнага і сістэматычнага характару.

 

1.1 Ход даследаванняў нізкачашчынных пераўтваральнікаў

In response to the urgent needs of ultra-long-range underwater information transmission and the development of ultra-stealth submarine detection, low-frequency transmitting transducers have become one of the most concerned hotspots in the field of underwater acoustic transducers since the 21st century. Працоўная паласа частот замежнага гідралакатара звышдалёкага выяўлення і сувязі была скарочана прыкладна да 100 Гц. Нізкачашчынныя пераўтваральнікі звязаны са шматлікімі тэарэтычнымі і тэхнічнымі праблемамі, якія ў цяперашні час не вырашаны належным чынам, і гэты аспект па-ранейшаму будзе гарачай кропкай даследаванняў і ў цэнтры ўвагі ў будучым развіцці. У гэтым раздзеле выбіраецца даследчая праца па нізкачашчынных пераўтваральніках вібрацыі пры згіне і пераўтваральніках напружання пры згіне, а таксама абагульняюцца новыя тэхналагічныя дасягненні.

 

1.1.1 Нізкачашчынны пераўтваральнік згінальных вібрацый

Першая тэхнічная праблема, з якой сутыкаюцца распрацоўкі нізкачашчынных падводных пераўтваральнікаў, - гэта геаметрычныя памеры. Як правіла, рабочая частата рэзанансных пераўтваральнікаў зваротна прапарцыйная геаметрычнаму памеру. Гэта значыць, чым ніжэй частата пераўтваральніка, тым больш будзе геаметрычны памер. Вібрацыя можа эфектыўна паменшыць геаметрычныя памеры нізкачашчынных пераўтваральнікаў. Новыя канструкцыі нізкачашчынных пераўтваральнікаў вібрацыі пры згіне ў Кітаі за апошнія 20 гадоў у асноўным уключаюць пераўтваральнікі з крывалінейным прамянём і выгнутыя дыскавыя пераўтваральнікі.

 

(1) Датчык выгібу прамяня. Распрацуйце цыліндрычны пераўтваральнік шырокапалоснага перадатчыка кансольнага прамяня (малюнак 1а). Канструкцыя аб'ядноўвае характарыстыкі нізкай мадальнай частаты вібрацыі пры згіне і метад мультымадальнай вібрацыі для пашырэння дыяпазону частот. Chai Yong et al. Прапануецца кольцавы пераўтваральнік злучэння труба-прамень (малюнак 1b). Пры даданні выгнутага прамяня да інкруставанага кольцападобнага пераўтваральніка, каб утварыць структуру злучэння труба-прамень, эфектыўны працоўны рэжым павялічваецца. Выкарыстоўвайце шматмодавае злучэнне для дасягнення нізкачашчынных і шырокапалосных працоўных характарыстык. Пераліўная канструкцыя прынятая, і яе здольнасць вытрымліваць гідрастатычны ціск была праверана фактычным прымяненнем стандарту 3000-метровага глыбакаводнага апускання. Xu et al. прапанаваны дзве канструктыўныя схемы для цыліндрычных нізкачашчынных пераўтваральнікаў (малюнак 1c і d), правялі серыю мадэлявання і далі крывыя рэакцыі выпраменьвання, абумоўленыя новымі магнітастрыкцыйнымі матэрыяламі Terfenol-D і Galfenol. Гэта дэманструе патэнцыял структуры пераўтваральніка для прымянення звышнізкіх частот.

Малюнак 1 Новая канструкцыя нізкачашчыннага пераўтваральніка для выгнутага прамяня (a), 0 - гэта фіксаваны прамень, а 1-5 - цыліндрычныя прамяні рознай таўшчыні

 

1.1.2 Датчык выгібу

The concept of the flextensional transducer started from Hayes' patent in 1936. The basic working mode is that one or more telescopic vibrators drive the flexural vibration shell to generate low-frequency sound radiation. The research and application of flextensional transducers in my country has been active since the end of the 20th century. Researchers have designed flextensional transducers with various structures. Па структуры і спосабу ўзбуджэння пераўтваральнікі згінання і расцяжэння дзеляцца на тры катэгорыі. Гэты метад класіфікацыі выкарыстоўваецца тут, каб прадставіць асобна.

 

(2) Bending-tension transducer with cylindrical structure. This type of transducer is driven by a longitudinal telescopic vibrator to translate the flexural vibration shell. The vibrating shell of the transducer is a translational structure, that is, a cylindrical shell of various shapes, which is driven by one or more longitudinal telescopic vibrators. У тым ліку пераўтваральнік выгібу пры выгіне IV тыпу і яго дэфармацыйная структура, датчык выгібу пры выгіне тыпу VII, чатырохвугольны датчык выцяжэння пры згіне і г.д. The IV type flextensional transducer driven by a relaxor ferroelectric single crystal PMNT material has been developed. The IV type flextensional transducer driven by the rare earth giant magnetostrictive material Terfenol-D was developed. Figure 3b is the new design of the VII type flextensional transducer, which is driven by the rare earth giant magnetostrictive material Terfenol-D. The excitation method is designed at the widest part of the transverse dimension, and a pair of parallel vibrators are designed to give an in-depth look at this type of transducer. The series of researches include prestress design analysis, theoretical modeling, modal analysis, experimental research, etc. Figure 3c is an improved new design of the IV type flextensional transducer, which is similar to the design improvement of the type I flextensional transducer to the type II flextensional transducer, using an elliptical shell structure with an elongated long axis, the transducer It is driven by the relaxor ferroelectric single crystal material PMNT, which has better broadband operating characteristics than the general IV type flextensional transducer. Figure 3d is the earliest new design to improve the IV type flextensional transducer in China-the fish-lip type flextensional transducer , which uses a variable height elliptical shell and uses the rare earth super magnetostrictive material Terfenol- D drive, this special-shaped vibrating shell has a lever arm effect and a highly weighted double-amplification effect. У цяперашні час пераўтваральнік згінання рыбінай вусны Terfenol-D серыйна аформлены ў канструкцыю з падвойнай абалонкай для далейшага павелічэння магутнасці перадачы. The maximum sound power of a single transducer can reach 10,000 watts, making it a domestic low-frequency high-power transmitting transducer One of the basic types. Figure 3e is an orthogonal excitation quadrilateral flextensional transducer, which adopts a compact design improvement, which can add more functional materials in a limited volume and improve the emission sound source level. Figure 3f is another improved new design of the IV type flextensional transducer, similar to the design improvement of the type I flextensional transducer to the type III flextensional transducer, which uses two elliptical shells in series along the long axis direction As a whole, a longer piezoelectric stack is used to excite, so that the resonance frequency of the longitudinal vibrator is reduced and close to the fundamental frequency mode of the flexural shell, which is conducive to modal coupling to achieve broadband operating characteristics. Figure 3g is an improved new design for the excitation vibrator of the IV type flextensional transducer. It is an IV type flextensional transducer driven by the folding vibrator. This structure combined with a low-rigidity housing material can effectively reduce the resonance frequency.

Малюнак 3 Датчык выгібу і расцяжэння са слупковай структурай

It is also known as the gourd type flextensional transducer. Даследуецца пераўтваральнік гнуткага расцяжэння гарбуза, які кіруецца PZT і PZT+Terfenol-D. , Праведзены аналіз мадэлявання характэрных параметраў выпраменьвання сумеснага ўзбуджэння. Малюнак 4c - гэта пераўтваральнік гнуткага напружання з увагнутай трубкай, які ўзбуджаецца камбінацыяй магнітастрыкцыі і п'езаэлектрыкі. У канструкцыі для фарміравання кампазітнага падоўжнага вібратара выкарыстоўваюцца два элемента ўзбуджэння - Терфенол-Д і ПЦТ. На малюнку 4d паказаны пераўтваральнік згінання і расцяжэння з увагнутым цыліндрам. Ён узбуджаецца мультып'езаэлектрычным стэкам. Under the premise that the shell remains unchanged and the total volume of the piezoelectric ceramic material is the same, the analysis of different numbers (1-4) piezoelectric stack drives For the impact on the performance of the transducer, a concave-tube flexural-tension transducer excited by a triple piezoelectric stack was designed and developed.

Малюнак 4 Датчык выгібу і расцяжэння доўгага тыпу, які верціцца

Flat-type rotating body bending-tension transducer. Гэты тып пераўтваральніка прыводзіцца ў дзеянне вібратарам, які радыяльна пашыраецца, каб прывесці ў рух круцільна-сіметрычную выгінальную вібрацыйную абалонку. The vibrating shell of the transducer is a rotationally symmetrical structure, generally a pair of convex or concave spherical caps (or spherical caps) or It is composed of a disc, etc., driven by a radially expanding ring or disc vibrator, including V-shaped flex-tension transducer, VI-shaped flex-tension transducer, disc-shaped flex-tension transducer, etc., introduced here Small size V-type flextensional transducer-Cymbal and disc type flextensional transducer . Figure 5a is a small-size V-shaped flextensional transducer. A pair of metal end caps are driven by a piezoelectric ceramic disc that vibrates radially to produce flexural vibration; На малюнку 5b прадстаўлены пераўтваральнік згінання і расцяжэння ў форме дыска, у канструкцыі якога выкарыстоўваецца PZT. 4 The radially polarized piezoelectric ceramic ring drives the curved disc. Дыск падзелены на 16 роўных сектараў уздоўж радыяльнай шчыліны для памяншэння сувязі бакавой вібрацыі. The flextensional transducers of these two structural forms have the characteristics of low resonant frequency, small geometric size, and high electroacoustic efficiency.

Малюнак 5 Датчык выгібу і напружання плоскага тыпу, які верціцца

1.2 Ход даследаванняў высокачашчынных шырокапалосных пераўтваральнікаў

In addition to the detection distance as an important indicator of underwater acoustic equipment, another development direction is to obtain the maximum amount of target information as the main purpose. For example, high-resolution image sonar, high-data-rate underwater acoustic communication, etc. It require high-frequency mode operation, and the working frequency band is as wide as possible. Такім чынам, высокачашчынны шырокапалосны падводны акустычны пераўтваральнік стаў ключавым кампанентам сістэмы, падобным да оптыкі. Аб'ектыў сістэмы візуалізацыі той жа.

 

Малюнак 6а - а высокачашчынны шырокапалосны пераўтваральнік з п'езаэлектрычнай керамічнай калонкай і адпаведным пластом. Даследуюцца стаўленне п'езаэлектрычнай керамікі да памеру керамікі і ўплыў матэрыялаў напаўнення на прапускную здольнасць. Высокачашчынны шырокапалосны пераўтваральнік з падвойным узгодненым пластом, распрацаваны на малюнку 6b, выкарыстоўвае п'езаэлектрычныя керамічныя калоны для фарміравання масіва, а затым дадае структуру падвойнага ўзгадняючага пласта з металічнага пласта і смалянага кампазітнага матэрыялу для дасягнення характарыстык высокачашчыннага шырокапалоснага акустычнага выпраменьвання. На малюнку 6c паказаны распрацаваны п'езаэлектрычны кампазітны высокачашчынны шырокапалосны пераўтваральнік 1-1-3, які складаецца з 1-мерных злучаных п'езаэлектрычных апор і 1-мерных злучаных металічных апор, размешчаных паралельна ў 3-мернай злучанай палімернай матрыцы. Сфарміраваны трохфазны п'езаэлектрычны кампазітны матэрыял і распрацаваны высокачашчынны шырокапалосны перадаючы пераўтваральнік. На малюнку 6d паказаны распрацаваны п'езаэлектрычны кампазітны высокачашчынны шырокапалосны пераўтваральнік 1-3, які выкарыстоўвае эфект сувязі рэжыму вібрацыі па таўшчыні і рэжыму папярочнай вібрацыі першага парадку для рэалізацыі шырокапалосных працоўных характарыстык. На малюнку 6e паказаны распрацаваны п'езаэлектрычны кампазітны кальцавы высокачашчынны шырокапалосны пераўтваральнік. П'езаэлектрычнае кампазітнае кольца атрымліваецца шляхам радыяльнага разразання п'езаэлектрычнага керамічнага кольца і залівання эпаксіднай смалы. Затым атрымліваюцца два п'езаэлектрычных кампазітных кольцы з рознай таўшчынёй сценак. Кампазітнае кольца накладваецца, каб утварыць радыяльна выпраменьваючы двайны рэзанансны пераўтваральнік.

 

Малюнак 6. Высокачашчынны шырокапалосны пераўтваральнік