Прагрэс даследаванняў і магчымасці развіцця тэхналогіі падводных акустычных пераўтваральнікаў

Акустычныя хвалі лічацца адзіным носьбітам інфармацыі, здольным распаўсюджвацца на вялікія адлегласці ў акіяне. Марскія даследаванні, распрацоўка рэсурсаў і марскія ваенныя дзеянні неаддзельныя ад падводных акустычных тэхналогій. Развіццё гідраакустычнай тэхналогіі патрабуе розных тыпаў гідраакустычных пераўтваральнікаў для забеспячэння падтрымкі, і місія гідраакустычных пераўтваральнікаў заключаецца ў перадачы і прыёме гукавых хваль пад вадой, таму гідраакустычныя пераўтваральнікі вядомыя як «вочы і вушы гідраакустычнага абсталявання». Распрацоўка гідраакустычных пераўтваральнікаў у асноўным уключае прымяненне новых матэрыялаў, прыняцце новых працэсаў і распрацоўку новых структур для дасягнення паляпшэння і Павышэнне комплексных характарыстык пераўтваральніка з'яўляецца непасрэдным развіццём гідраакустычных пераўтваральнікаў за апошнія 20 гадоў на аналізе і рэзюмэ, у спалучэнні са стратэгіяй развіцця марскіх тэхналогій і сітуацыяй у маёй краіне, коратка абмеркаваць праблемы і магчымасці развіцця, з якімі сутыкаецца сучасная тэхналогія 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. Вобласць даследаванняў і распрацовак падводных акустычных пераўтваральнікаў ўключае ў сябе інтэграцыю некалькіх дысцыплін, і цесна звязаныя дысцыпліны ў асноўным ўключаюць у сябе: фізіку, матэрыялазнаўства, матэматыку, механіку, электроніку, хімію, механіку і г.д., таму развіццё падводных акустычных пераўтваральнікаў Гэта цесна звязана з дасягненнямі іншых асноўных дысцыплін, і ў той жа час абмежавана развіццём розных звязаных Мяркуючы з дзесяцігоддзяў гісторыі развіцця гідраакустычных пераўтваральнікаў у маёй краіне, самая вялікая матывацыя распрацоўкі зыходзіць з патрабаванняў 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

У адказ на надзённыя патрэбы падводнай перадачы інфармацыі на звышдалёкіх дыяпазонах і распрацоўку звышнепрыкметнага выяўлення падводных лодак, нізкачашчынныя перадаючыя пераўтваральнікі сталі адной з найбольш заклапочаных гарачых кропак у галіне падводных акустычных пераўтваральнікаў з 21-га стагоддзя. 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 навукова-даследчая праца па нізкачашчынным пераўтваральнікам 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 спалучае ў сабе характарыстыкі нізкай мадальнай частаты вібрацыі пры выгіне і метад мультымадальнай вібрацыі для пашырэння дыяпазону частот. Чай Ён і інш. Прапануецца пераўтваральнік трубапрамянёвай сувязі (малюнак 1б). 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 прынята, і яе здольнасць супрацьстаяць гідрастатычнаму ціску была пацверджана фактычным прымяненнем стандарту глыбакаводнага апускання ў 3000 м. Сюй і інш. прапанаваны дзве канструктыўныя схемы для цыліндрычных нізкачашчынных пераўтваральнікаў (малюнак 1c і d), правялі серыю мадэлявання і далі крывыя рэакцыі на выпраменьванне, 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

(3) Датчык сагнутага дыска. Выгнуты дыск пераўтваральніка ўключае ў сябе тры стэка, двайны стэка структуры і гэтак далей. На малюнку 2а паказаны кампактны выгнуты дыскавы пераўтваральнік, які складаецца з пары падвойных слаёў. Замежная навуковая праца адносна спелая. Праводзіцца паглыбленае даследаванне гэтай базавай структуры пераўтваральніка з выгнутым дыскам. Пачынаючы з гэтай асноўнай структуры, распрацоўваючы вадкасную камеру і паляпшаючы рэжым руху, былі створаны некаторыя новыя канструкцыі]. Малюнак 2b - пераўтваральнік з выгнутым дыскам, які прыводзіцца ў рух мазаічным кольцам. У канструкцыі, паказанай на малюнку 2c, выкарыстоўваюцца выгнутыя дыскавыя пераўтваральнікі розных памераў для фарміравання матрыцы і розныя метады кіравання для дасягнення шырокапалоснай працы. Малюнак 2d - пераўтваральнік з выгнутым дыскам са структурай пераліўнай паражніны. Памер вадкаснай паражніны адпаведным чынам скарэкціраваны ў канструкцыі ў адпаведнасці з патрабаваннямі да акустычных характарыстык. Гэта выгнуты дыскавы пераўтваральнік, які прыводзіцца ў дзеянне гальфенолам, які выкарыстоўвае структуру, падобную да падоўжнага пераўтваральніка, для ўзбуджэння выгібнай вібрацыі пярэдняга выпраменьвання 

Малюнак 2 Новая канструкцыя нізкачашчыннага пераўтваральніка з выгнутым дыскам

1.1.2 Датчык выгібу

Канцэпцыя пераўтваральніка выгібу і расцяжэння пачалася з патэнта Хэйса ў 1936 годзе. Асноўны рэжым працы заключаецца ў тым, што адзін або некалькі тэлескапічных вібратараў прыводзяць у рух абалонку пры выгібе для генерацыі нізкачашчыннага гукавога выпраменьвання. Даследаванні і прымяненне пераўтваральнікаў напружання ў маёй краіне вядуцца з канца 20-га стагоддзя. Даследчыкі спраектавалі пераўтваральнікі flextensional з рознымі структурамі. Па структуры і спосабу ўзбуджэння пераўтваральнікі згінання і расцяжэння дзеляцца на тры катэгорыі. Гэты метад класіфікацыі выкарыстоўваецца тут, каб прадставіць асобна.

 

(2) Датчык выгібу і расцяжэння цыліндрычнай канструкцыі. Гэты тып пераўтваральніка прыводзіцца ў рух падоўжным тэлескапічным вібратарам для пераўтварэння вібрацыйнай абалонкі пры выгіне. Вібрацыйная абалонка пераўтваральніка ўяўляе сабой паступальную структуру, гэта значыць цыліндрычную абалонку рознай формы, якая прыводзіцца ў рух адным або некалькімі падоўжнымі тэлескапічнымі вібратарамі. Уключаючы датчык выгібу пры выгіне IV тыпу і яго дэфармацыйную структуру, датчык выгібу пры выгіне тыпу VII, чатырохвугольны датчык расцяжэння пры згіне і г. д. На малюнку 3а паказаны тыповы пераўтваральнік выгібу пры выгіне IV тыпу. Быў распрацаваны пераўтваральнік згінальнага расцяжэння IV тыпу, які кіруецца рэлаксацыйным сегнетоэлектрычным монакрышталічным матэрыялам PMNT. Быў распрацаваны пераўтваральнік згінання расцяжэння IV тыпу, які кіруецца рэдказямельным гіганцкім магнітастрыкцыйным матэрыялам Terfenol-D. На малюнку 3b прадстаўлена новая канструкцыя пераўтваральніка згінання і расцяжэння тыпу VII, які прыводзіцца ў дзеянне рэдказямельным гіганцкім магнітастрыкцыйным матэрыялам тэрфенол-D. Метад узбуджэння распрацаваны ў самай шырокай частцы папярочнага памеру, а пара паралельных вібратараў прызначана для таго, каб даць глыбокі погляд на гэты тып пераўтваральніка. Серыя даследаванняў уключае праектны аналіз папярэдняга напружання, тэарэтычнае мадэляванне, мадальны аналіз, эксперыментальныя даследаванні і г. д. Малюнак 3c - палепшаная новая канструкцыя пераўтваральніка выгібу тыпу IV, якая падобная на ўдасканаленне канструкцыі пераўтваральніка выгібу тыпу I да пераўтваральніка выгібу тыпу II, з выкарыстаннем эліптычнай канструкцыі абалонкі з выцягнутай доўгай воссю, пераўтваральнік Ён прыводзіцца ў дзеянне рэлаксатарам сегнетоэлектрычны монакрышталічны матэрыял PMNT, які мае лепшыя шырокапалосныя працоўныя характарыстыкі, чым агульны пераўтваральнік выгібу расцяжэння тыпу IV. Малюнак 3d - гэта самая ранняя новая канструкцыя для паляпшэння пераўтваральніка выгібу тыпу IV у Кітаі - пераўтваральнік выгібу тыпу 'рыбіная губа', у якім выкарыстоўваецца эліптычная абалонка з пераменнай вышынёй і рэдказямельны супермагнітастрыкцыйны матэрыял Terfenol-D drive, гэтая вібрацыйная абалонка спецыяльнай формы мае эфект рычага і эфект падвойнага ўзмацнення. У цяперашні час пераўтваральнік згінання рыбінай вусны Terfenol-D быў серыйны і распрацаваны ў канструкцыю з падвойнай абалонкай для далейшага павелічэння магутнасці перадачы. Максімальная гукавая магутнасць аднаго пераўтваральніка можа дасягаць 10000 Вт, што робіць яго адным з асноўных тыпаў бытавых нізкачашчынных пераўтваральнікаў высокай магутнасці. На малюнку 3e прадстаўлены чатырохвугольны пераўтваральнік з артаганальным узбуджаннем пры згінанні і расцяжэнні, у якім удасканалена кампактная канструкцыя, якая можа дадаць больш функцыянальных матэрыялаў у абмежаваным аб'ёме і палепшыць узровень выпраменьвання крыніцы гуку. Малюнак 3f - яшчэ адна ўдасканаленая новая канструкцыя пераўтваральніка згінання напружання тыпу IV, падобная да паляпшэння канструкцыі пераўтваральніка згінання напружання тыпу I да пераўтваральніка згінання нацяжкі тыпу III, у якім выкарыстоўваюцца дзве эліптычныя абалонкі паслядоўна ўздоўж напрамку доўгай восі. У цэлым для ўзбуджэння выкарыстоўваецца больш доўгі п'езаэлектрычны пакет, так што рэзанансная частата падоўжнага вібратара зніжаецца і набліжаецца да асноўнай. частотны рэжым гнуткай абалонкі, які спрыяе мадальнай сувязі для дасягнення шырокапалосных працоўных характарыстык. Малюнак 3g - палепшаная новая канструкцыя вібратара ўзбуджэння IV тыпу пераўтваральніка згінання. Гэта пераўтваральнік згінання і расцяжэння IV тыпу, які прыводзіцца ў дзеянне складаным вібратарам. Гэтая структура ў спалучэнні з матэрыялам корпуса з нізкай жорсткасцю можа эфектыўна паменшыць рэзанансную частату.

Малюнак 3 Датчык выгібу і расцяжэння са слупковай структурай

Ён таксама вядомы як пераўтваральнік згінання тыпу гарбуза. 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. Пры ўмове, што абалонка застаецца нязменнай, а агульны аб'ём п'езаэлектрычнага керамічнага матэрыялу аднолькавы, аналіз розных колькасцяў (1-4) п'езаэлектрычных прывадаў стэка Для ўплыву на прадукцыйнасць пераўтваральніка быў распрацаваны і распрацаваны пераўтваральнік напружання пры выгібе з увагнутай трубкай, які ўзбуджаецца патройным п'езаэлектрычным стэкам.

Малюнак 4 Датчык выгібу і расцяжэння доўгага тыпу, які верціцца

Датчык выгібу і расцяжэння плоскага тыпу, які верціцца. Гэты тып пераўтваральніка прыводзіцца ў дзеянне вібратарам, які радыяльна пашыраецца, каб прывесці ў рух круцільна-сіметрычную выгінальную вібрацыйную абалонку. Вібрацыйная абалонка пераўтваральніка ўяўляе сабой абарачальна-сіметрычную структуру, як правіла, пару выпуклых або ўвагнутых сферычных каўпачкоў (або сферычных каўпачкоў) або складаецца з дыска і г.д., якія прыводзяцца ў дзеянне кольцам або дыскавым вібратарам, які радыяльна пашыраецца, у тым ліку V-вобразны датчык напружання пры згінанні, VI-вобразны датчык нацяжэння пры згінанні, дыскападобны датчык нацяжэння пры згінанні пераўтваральнік і г.д., уведзены тут Датчык выгібу V-тыпу малога памеру - цымбалы і пераўтваральнік выгібу дыскавага тыпу. Малюнак 5а - невялікі V-вобразны датчык згінання і расцяжэння. Пара металічных наканечнікаў прыводзіцца ў рух п'езаэлектрычным керамічным дыскам, які вібруе радыяльна, ствараючы вібрацыю пры выгіне; На малюнку 5b прадстаўлены пераўтваральнік згінання і расцяжэння ў форме дыска, у канструкцыі якога выкарыстоўваецца PZT. 4 Радыяльна палярызаванае п'езаэлектрычнае керамічнае кольца прыводзіць у рух выгнуты дыск. Дыск падзелены на 16 роўных сектараў уздоўж радыяльнай шчыліны для памяншэння сувязі бакавой вібрацыі. Пераўтваральнікі выгібу гэтых двух структурных формаў маюць нізкую рэзанансную частату, малыя геаметрычныя памеры і высокую электраакустычную эфектыўнасць.

Малюнак 5 Датчык выгібу і напружання плоскага тыпу, які верціцца

1.2 Ход даследаванняў высокачашчынных шырокапалосных пераўтваральнікаў

Акрамя далёкасці выяўлення як важнага паказчыка падводнай акустычнай апаратуры, іншым напрамкам развіцця з'яўляецца асноўнае прызначэнне - атрыманне максімальнага аб'ёму інфармацыі аб мэты. Напрыклад, гідралакатар выявы з высокім разрозненнем, падводная акустычная сувязь з высокай хуткасцю перадачы даных і г. д. Патрабуецца праца ў высокачашчынным рэжыме, а рабочая паласа частот максімальна шырокая. Такім чынам, высокачашчынны шырокапалосны падводны акустычны пераўтваральнік стаў ключавым кампанентам сістэмы, падобным да оптыкі. Лінза сістэмы візуалізацыі такая ж.

 

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 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 трохмернай 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