Тэхналагічныя інавацыі ў распрацоўцы падводных акустычных пераўтваральнікаў (2)

     Тэхналагічныя інавацыі ў распрацоўцы падводных акустычных пераўтваральнікаў (2)

Жалезна-галіевы сплаў (галфенол) - новы тып магнітастрыкцыйнага матэрыялу, які з'явіўся ў апошнія гады. Яго магнітастрыкцыйная дэфармацыя знаходзіцца паміж нікелем і тэрфенолам-D пры 300 частках на мільён (частках на мільён - гэта мікрапераменная, якая ўяўляе ΔL/L=10-6). Вышэй, у параўнанні з тэрфенолам-D, ён мае такія перавагі, як больш высокая адносная пранікальнасць (>100), добрая апрацоўваемасць, высокая тэмпературная стабільнасць і высокая трываласць на разрыў. Паколькі матэрыял са сплаву жалеза і галію мае добрыя характарыстыкі апрацоўкі і высокую механічную трываласць, яго можна выкарыстоўваць для распрацоўкі і апрацоўкі корпуса пераўтваральніка гнуткага расцяжэння. Малюнак 2b - прыклад даследавання ўвагнутага ствалавога пераўтваральніка выгібу расцяжэння з корпусам са сплаву жалеза і галію. The прыводзіцца ў дзеянне падводны акустычны пераўтваральнік . Вібратар складаецца з элементаў са сплаву жалеза і галію Φ20 мм × 40 мм і лістоў пастаяннага магніта неадым, жалеза і бор і ўтварае замкнёны магнітны ланцуг з выпраменьвальнай абалонкай. Эксперыментальныя вынікі паказваюць, што характарыстыка эмісійнага току пераўтваральніка складае 168,4 дБ (рэзанансная частата 1750 Гц), што лепш, чым дзюралюмінію таго ж геаметрычнага памеру. Датчык корпуса (рэзанансная частата 1900 Гц) палепшаны амаль на 5 дБ, што адлюстроўвае канструктыўныя перавагі актыўнага корпуса.

 

Апублікаваныя ў 2000 годзе вынікі даследаванняў шырокапалоснага падоўжнага пераўтваральніка магнітастрыкцыйнага-п'езаэлектрычнага сумеснага ўзбуджэння. Падоўжны пераўтваральнік сумесна кіруецца блокам Terfenol-D і стэкам PZT, які рэалізуе шырокапалосную працу 1,8 кГц і 3,5 кГц падвойнага рэзананснага пікавага ўзаемадзеяння. Характарыстыкі, у літаратуры таксама паведамляецца, што плоскі масіў 4×4 высокай магутнасці, які складаецца з гэтага тыпу пераўтваральніка, узровень крыніцы гуку масіва перавышае 225 дБ у дыяпазоне частот 1,5-6 кГц.

 

Шматблокавы прывадны падоўжны пераўтваральнік Terfenol-D, аўтар геніяльна распрацаваў прывадны блок, у яго структуры выкарыстоўваецца гільза пастаяннага магніта для прымянення магнітнага поля зрушэння, каб аддзяліць статычнае магнітнае поле ад дынамічнага магнітнага контуру, і дынамічнае магнітнае. Элементы пастаяннага магніта з нізкай пранікальнасцю пазбягаюць на дарозе, і эфект рухаючай энергіі магнітнага поля павялічваецца; гэта фізічная схема прывада. 4 такіх прывада механічна злучаныя паслядоўна, утвараючы нізкачашчынную падоўжную замену з пярэдняй вечкам і хваставой масай. Энергетычны прыбор, цэнтральны шруба папярэдне напружаны; Мал. 3c - фактычны малюнак пераўтваральніка пасля ўпакоўкі, рэзанансная частата пераўтваральніка складае 1,6 кГц, а ўзровень крыніцы гуку - 177 бБ.

 

Канструкцыя магнітнай ланцуга магнітастрыкцыйнага пераўтваральніка вельмі важная. Батлер узяў у якасці прыкладу гнуткі пераўтваральнік расцяжэння з увагнутым ствалом і параўнаў працоўныя эфекты шасці схем магнітных ланцугоў з дапамогай аналізу канчатковых элементаў. Структуры магнітных ланцугоў на малюнках 4a-f адпаведна: .бесперапынны рэдказямельны стрыжань плюс магнітна-пранікальная кантавая вечка і гільза дапаможнага прылады з чыстага жалеза, бесперапынны рэдказямельны стрыжань плюс кантавая вечка дапаможнага прыстасавання з чыстага жалеза, бесперапынны рэдказямельны стрыжань без пранікальнага дапаможнага элемента з чыстага жалеза, камбінацыя рэдказямельнага стрыжня і пастаяннага магніта, а таксама кантавая вечка і гільза з пранікальнага чыстага жалеза, камбінацыя рэдказямельнага стрыжня і пастаяннага магніта а таксама кантавая вечка дапаможнага прыстасавання з чыстага жалеза, рэдказямельны стрыжань і камбінацыя дэталяў з пастаянным магнітам без пранікальнага магнітнага аксэсуара з чыстага жалеза, эфектыўныя электрамеханічныя каэфіцыенты сувязі складаюць адпаведна 0,33, 0,30, 0,27, 0,23, 0,21 і 0,20, што сведчыць аб тым, што эфектыўны каэфіцыент электрамеханічнага ўзаемадзеяння рэдказямельных элементаў вібратар заменены з бесперапыннага рэдказямельнага стрыжня на рэдказямельны стрыжань у спалучэнні з лістом пастаяннага магніта. Заглушкі і гільзы магнітных пранікальных аксесуараў з чыстага жалеза аказваюць пэўны ўплыў на паляпшэнне характарыстык электрамеханічнага злучэння рэдказямельнага вібратара, але для рухомых матэрыялаў з нізкай адноснай пранікальнасцю, такіх як тэрфенол-D, паляпшэнне невялікае, і эфектыўны каэфіцыент электрамеханічнага злучэння вызначаецца ад 0,20 да 0,23 або ад 0,27 да 0,33.

 

 

2. Новае пакаленне п'езаэлектрычных матэрыялаў і іх пераўтваральнікаў

Да першай паловы 20-га стагоддзя ўсе п'езаэлектрычныя матэрыялы былі монакрышталямі. Полікрышталічны п'езаэлектрычны керамічны тытанат барыю быў упершыню знойдзены ў 1950-х гадах, а затым цырканат-тытанат свінцу (PZT) у 1960-я гады. Прадукцыйнасць гэтай п'езаэлектрычнай керамікі значна перавышае характарыстыкі ранніх монакрышталяў, і з тых часоў PZT стаў асноўным функцыянальным матэрыялам падводных акустычных пераўтваральнікаў.

У сярэдзіне 1990-х гадоў былі адкрыты новыя п'езаэлектрычныя монакрышталі ніябату магнію і тытаната свінцу (PMN-PT) і ніябату свінцу і цынку (PZN-PT). Гэтыя два п'езаэлектрычныя монакрышталічныя матэрыялы маюць вельмі высокую дэфармацыю пры насычэнні (больш за 1%), нізкія страты і высокі каэфіцыент п'езаэлектрычнай сувязі (больш за 0,9), паказваючы патэнцыйныя перавагі павелічэння магутнасці і пашырэння дыяпазону частот у напрамку падводнага акустычнага пераўтваральніка. У апошнія гады з'явіліся п'езаэлектрычныя монакрышталічныя матэрыялы на аснове трохкомпонентнага ніябату індыя - ніябату свінцу - ніябату магнію - тытаната свінцу (PIN-PMN-PT) і дапаванага марганцам свінцу - ніябату індыя - ніябату магнію - тытаната свінцу (Mn: PIN-PMN-PT), які яшчэ больш паляпшае працоўныя характарыстыкі ва ўмовах моцнага электрычнага поля.

Прымяненне п'езаэлектрычных монакрышталічных матэрыялаў, такіх як PMN-PT, у галіне падводнай акустыкі пачалося з праектавання і распрацоўкі падоўжных пераўтваральнікаў. Мэер і іншыя правялі серыю даследчых работ, у тым ліку дэталёвы аналіз 33-модавых і 32-модавых падоўжных пераўтваральнікаў PMN-PT і параўнальнае даследаванне з PZT-8. Малюнак 5a - 33-модны падоўжны пераўтваральнік, які кіруецца стосам з 10 пласцін PZT-8, малюнак 5b - 33-модны падоўжны пераўтваральнік, які кіруецца стосам з 3 пласцін PMN-PT, а малюнак 5c - 4 PMN-PT. падоўжны пераўтваральнік. Вынікі паказваюць, што калі PMN-PT і PZT-8 выкарыстоўваюцца для вырабу падоўжных пераўтваральнікаў з аднолькавай частатой, узроўнем крыніцы выпраменьвання і іншымі параметрамі, даўжыня стэка крышталя PMN-PT складае ўсяго каля 30% ад PZT-8, што паказвае тэхнічныя перавагі п'езаэлектрычных монакрышталічных матэрыялаў для вырабу невялікіх пераўтваральнікаў; рэжым 32 можа прымусіць монакрышталічныя матэрыялы быць выразаны ў адпаведнасці з найлепшай арыентацыяй прадукцыйнасці, і ў той жа час выкарыстоўваць камбінацыю доўгіх палос. Ён можа пазбегнуць тэхнічных праблем, такіх як вырошчванне адзінкавых пласцін вялікага памеру, палепшыць надзейнасць і кансістэнцыю пераўтваральніка і мае відавочныя перавагі для прымянення лёгкіх масіваў гідралакатараў сярэдняй і высокай частаты.

Монакрышталі распрацавалі а цыліндрычны перадаючы пераўтваральнік, які складаецца з інкруставаных кольцаў. Кожнае кольца складаецца з 12 клінападобных палосак, і 9 кольцаў шчыльна сабраны ў восевым кірунку, утвараючы цыліндр. Геаметрычны памер (Φ20,3 мм × 66 мм) значна менш, чым п'езаэлектрычны керамічны пераўтваральнік той жа частоты, і рэалізуе шырокапалосныя працоўныя характарыстыкі больш за 2,5 актавы. У іншым дакуменце выкарыстоўваецца монакрышталь PMN-PT для распрацоўкі пераўтваральніка згінання і расцяжэння з увагнутым ствалом. Прывадны вібратар пераўтваральніка складаецца з 16 аксіяльна палярызаваных элементаў Φ28 мм × Φ10 мм × 4,8 мм і вібрацыйнай абалонкі з тытанавага сплаву. Адказ на напружанне выпраменьвання палепшаны больш чым на 5 дБ у параўнанні з пераўтваральнікам той жа структуры з матэрыялу PZT-4.

Тэмпература трыганальна-тэтраганальнага фазавага пераходу монакрышталя PMN-PT адносна нізкая, што ў пэўнай ступені абмяжоўвае дыяпазон яго прымянення, асабліва для прымянення ва ўмовах высокай магутнасці. Тройны ніябат індыя-свінцу ніябат магнію-тытанат свінцу (PIN-PMN-PT) і монокристалл, дапаваны марганцам (Mn: PIN-PMN-PT) робяць тэмпературу фазавага пераходу сегнетоэлектрычнага монакрышталя релаксатора відавочнай. Адначасова павялічваюць і значна зніжаюць каэфіцыент страт: тэмпература фазавага пераходу павялічваецца з 95°C да 125°C, каэфіцыент страт зніжаецца з 0,26 да 0,15, а каэфіцыент страт складае ўсяго 1/2 ад звычайнай п'езаэлектрычнай керамікі PZT-4. Ёсць таксама літаратура, якая выкарыстоўвае гэтыя два монакрышталі новай формулы, PMN-PT і PZT-4 для вырабу падоўжных пераўтваральнікаў і параўнання іх магутных працоўных характарыстык, якая даказвае, што монакрышталі новай формулы больш падыходзяць для ўмоў высокай магутнасці і вялікага працоўнага цыклу. Узровень крыніцы гуку пераўтваральніка PMN-PT на 5 дБ вышэй, чым у пераўтваральніка PMN-PT на рэзананснай частаце. У параўнанні з п'езаэлектрычнай керамікай PZT-4, узровень крыніцы гуку і магутнасць на рэзананснай частаце ў асноўным эквівалентныя, а рабочая паласа частот павялічана ў 1 раз, а максімальны ўзровень крыніцы гуку па-за рэзананснай частатой павялічаны прыкладна на 6 дБ.

 

Даследаванне прымянення монакрысталічнага матэрыялу PMN-PT у асноўным сканцэнтравана на медыцынскай высокачашчыннай ультрагукавой сістэме візуалізацыі. Вось толькі адзін выпадак даследавання прымянення гідраакустычнага пераўтваральніка талеркі з выкарыстаннем элемента PMN-PT памерам Φ12,7 мм × 1 мм для прывядзення ў дзеянне тытана таўшчынёй 0,25 мм. Вібрацыйны каўпачок са сплаву пры выгібе распрацаваў невялікі пераўтваральнік нацяжэння пры выгіне талеркі, які мае на 6 дБ больш высокую рэакцыю на напружанне выпраменьвання, чым пераўтваральнік PZT-4 з такой жа структурай.

 

2. Тэхнічныя інавацыі структуры і тэхналогіі падводнага акустычнага пераўтваральніка

⒈Тэхнічныя інавацыі для паляпшэння характарыстык прамяня

У сучасным гідралакатары для дасягнення неабходных характарыстык прамяня звычайна выкарыстоўваюцца розныя асноўныя масівы. Аднак, калі ўстановачная апертура пераўтваральніка абмежаваная і існуюць асаблівыя патрабаванні да характарыстык прамяня, неабходна прыняць тэхнічныя меры для кантролю характарыстык прамяня пераўтваральніка. Асноўныя тэхнічныя падыходы для паляпшэння ўключаюць у сябе: прымяненне перагародкі, тэхналогію мадальнай суперпазіцыі з выкарыстаннем дыполяў і мультыполюсаў і г. д. У гэтым раздзеле выбіраюцца некаторыя тыповыя прыклады даследаванняў, засяродзіўшыся на аналізе і кароткім выкладзе выкарыстання метадаў мадальнай суперпазіцыі для паляпшэння характарыстык пучка пераўтваральніка. Тэхнічныя дасягненні.

⑴Выкарыстанне перагародкі для паляпшэння характарыстык прамяня пераўтваральніка

У ранніх гідраакустычных сістэмах звычайна выкарыстоўваўся незалежны пераўтваральнік. Калі накіраванасць не можа адпавядаць патрабаванням, адлюстраванне перагародкі выкарыстоўваецца для кіравання прапускаючым прамянём, які ў асноўным ўключае праходжанне праз плоскую перагародку, цыліндрычную перагародку і сферычную перагародку. Пласціна і конус перагародкі для змены накіраванасці цыліндрычных пераўтваральнікаў, поршневых пераўтваральнікаў, сферычных пераўтваральнікаў і г.д., у пэўнай ступені задавальняюць патрэбы аднабаковага кіравання пучком перадачы, як паказана на малюнку 6, выкарыстанне падвойных конусаў.

 

У літаратуры ёсць інфармацыя аб тым, што пераўтваральнік згінання тыпу IV 3 кГц размяшчаецца побач з фокусам перагародкі парабалічнага адбівальніка, так што пераўтваральнік згінання тыпу IV з яго ўласнай ненакіраванасцю можа дасягаць характарыстык аднанакіраванага выпраменьвання. Эксперымент атрымлівае кут адкрыцця аднаго вугла 83°. Розніца ў рэакцыі на прамень пярэдняй і задняй частак складае 21 дБ.

⑵ Мадальны камбінаваны пераўтваральнік накіраванасці

Розныя структурныя пераўтваральнікі маюць розныя шматпарадкавыя рэжымы вібрацыі. Рэзанансныя пераўтваральнікі звычайна працуюць на аснове рэжыму вібрацыі асноўнай частоты. Розныя рэжымы вібрацыі будуць адпавядаць іх эфектыўным метадам узбуджэння, таму можна выкарыстоўваць камбінацыю метадаў узбуджэння. Рэалізуйце кіраванне суперпазіцыяй некалькіх рэжымаў вібрацыі, каб дасягнуць мэты змены характарыстык прамяня, які перадае. Асноўныя рэжымы, якія могуць змяняць характарыстыкі прамяня пераўтваральніка праз камбінацыю, уключаюць манапольны рэжым, дыпольны рэжым і квадрупольны рэжым і г. д. Гэтыя асноўныя рэжымы могуць дасягнуць розных дыяграм накіраванасці праз узважаную камбінацыю. У гэтым раздзеле, у спалучэнні з вынікамі канкрэтнай літаратуры, зроблены кароткі аналіз і рэзюмэ тэхналогіі апрацоўкі і метадаў узбуджэння розных структурных пераўтваральнікаў для дасягнення мадальнай суперпазіцыі.

Шматрэжымная праца ўзбуджэння звычайна выкарыстоўвае метад узбуджэння раздзелаў, напрыклад: у п'езаэлектрычнай керамічнай трубцы або сферычнай абалонцы часта выкарыстоўваецца метад раздзеленага электрода, гл. малюнак 7a, b; магнітастрыкцыйны шматкутнік ( кольцавы) пераўтваральнік, прымае незалежны шлях узбуджэння краю.

 

Батлер і інш. спраектаваў і распрацаваў 'мадальны пераўтваральнік', па-ранейшаму выкарыстоўваючы канструктарскую ідэю перагародкавага ўзбуджэння, але парушаючы абмежаванне падзелу незалежных кампанентаў, выкарыстоўваючы 8 незалежных 1/4 падоўжных вібратараў для падзелу хваставой масы, кожны пераўтваральнік. Выпраменьвальная паверхня ўяўляе сабой цыліндрычную дугавую паверхню, набліжаную да 45°, і яны разам ахопліваюць раздзелены і незалежна кіраваны цыліндрычны выпраменьваючы пераўтваральнік. Геаметрычны памер пераўтваральніка не абмежаваны ўмовамі працэсу незалежных элементаў, і адначасова прымаецца падоўжны кірунак папярэдне напружанай канструкцыі. Вібратар мае тэхнічныя перавагі для распрацоўкі нізкачашчынных і магутных накіраваных перадаючых пераўтваральнікаў. На малюнку 8 паказаны асноўныя формы мадальнай вібрацыі 'мадальнага пераўтваральніка'. Спраектаваны і распрацаваны мадальныя пераўтваральнікі на аснове п'езаэлектрычнай керамікі PZT-8, монакрышталя PMN-PT і гіганцкіх магнітастрыкцыйных матэрыялаў Terfenol-D. Ён атрымаў кардыяідны накіраваны перадаючы прамень з індэксам накіраванасці 6 дБ і розніцай у 25 дБ у рэакцыі спераду назад.

 

Гэта яшчэ адзін тып нізкачашчыннага і высокамагутнага пераўтваральніка накіраванага выпраменьвання — пераўтваральнік згінальнага расцяжэння з зонай узбуджэння. У канструкцыі п'езаэлектрычны пакет (або магнітастрыкцыйны вібратар) пераўтваральніка згінання-напружання падвяргаецца зональнаму ўзбуджэнню з выкарыстаннем спалучэння монапольных і дыпольных рэжымаў для фарміравання кардыёіднага накіраванага пучка выпраменьвання. Малюнак 9a - гэта пераўтваральнік накіраванасці тыпу IV пры згіне з частатой накіраванасці 900 Гц, а малюнак 9b - датчык накіраванасці тыпу VII пры згіне з частатой накіраванасці 3 кГц.

У літаратуры вывучаецца шырокапалосны шматмодавы цыліндрычны пераўтваральнік з адбівальнай пласцінай (паказана на малюнку 10). Электроды п'езаэлектрычнай керамічнай цыліндрычнай трубкі пароўну падзелены на дзве групы і незалежна ўзбуджаюцца для атрымання манаполя (0 рэжым) і дыполя (1 рэжым), а затым узаемадзейнічаюць з перагародкай для рэалізацыі аднабаковага накіраванага выпраменьвання. У даследчай рабоце таксама выкарыстоўваецца суадносіны фаз паміж рэжымамі для распрацоўкі незалежнага ўзмацняльніка магутнасці і схемы налады праз нізкачашчынны '0+1' і высокі частотны '0 + 1'. －1' Мадальнае камбінаванае кіраванне рэалізуе шырокапалосныя працоўныя характарыстыкі. Пераўтваральнік выкарыстоўвае 4 п'езаэлектрычныя круглыя трубкі PZT-4 Φ38,2 мм × Φ31,8 мм × 19 мм па вышыні, а памер пасля ўпакоўкі складае Φ48 мм × 79 мм. Перагародка зроблена з двух кавалкаў коркавай гумы, ламінаваных, каб утварыць паўкруг. цыліндрычная паверхня мае таўшчыню 6 мм, а характарыстыка напружання выпраменьвання вагаецца на 6 дБ у дыяпазоне частот 26-46 кГц.

2. Тэхнічныя інавацыі для паляпшэння частотных характарыстык

З рознанакіраваным пашырэннем напрамку прымянення падводнай акустычнай тэхналогіі бесперапынна пашыраецца працоўны дыяпазон частот актыўных гідраакустычных сістэм. Сярод іх рабочая частата гідралакатара выявы з высокім раздзяленнем была павялічана да 106 Гц, а рабочая паласа частот гідралакатара выяўлення і сувязі на звышдалёкіх адлегласцях яшчэ ніжэй. Ніжэй 100 Гц; з іншага боку, развіццё апрацоўкі гідраакустычнай інфармацыі патрабуе, каб рабочая паласа частот пераўтваральніка была як мага больш шырокай. Такім чынам, у апошнія гады нізкачашчынныя і шырокапалосныя пераўтваральнікі прыцягнулі вялікую ўвагу ў вобласці падводнай акустыкі, і вынікі даследаванняў даволі багатыя. Аднак ёсць яшчэ шмат тэарэтычных і тэхнічных праблем, якія не вырашаны належным чынам. Гэты аспект па-ранейшаму будзе гарачай кропкай даследаванняў і цэнтрам будучага развіцця. У гэтым раздзеле выдзяляюцца даследаванні ў напрамку нізкачашчынных і шырокапалосных пераўтваральнікаў, іх аналіз і абагульненне. Наватарскія ідэі і новыя тэхналагічныя дасягненні.

⑴ Інавацыйны дызайн нізкачашчыннага пераўтваральніка

①Нізкачашчынны пераўтваральнік вібрацыі на выгіб

Першай тэхнічнай праблемай, з якой сутыкаюцца распрацоўкі нізкачашчынных пераўтваральнікаў, з'яўляюцца геаметрычныя памеры. Як правіла, рабочая частата рэзанансных пераўтваральнікаў зваротна прапарцыйная геаметрычнаму памеру, гэта значыць, чым ніжэй частата пераўтваральніка, тым большы геаметрычны памер, напрыклад, падоўжнае пераўтварэнне 500 Гц. Даўжыня энергапрыбора складае каля 3м. Выгібная вібрацыя можа эфектыўна паменшыць геаметрычныя памеры нізкачашчынных пераўтваральнікаў. Сярод іх пераўтваральнікі, функцыянальныя прылады якіх непасрэдна ўдзельнічаюць у выгібнай вібрацыі, у асноўным уключаюць пераўтваральнікі згінальных прамянёў, пераўтваральнікі згінальных дыскаў і г.д.

На малюнку 11а паказана тыповая канструкцыя з гнуткай бэлькі з трох стэпаў. Кавалак п'езаэлектрычных керамічных палос налеплены на верхнюю і ніжнюю частку гнуткай бэлькі. Калі адна з п'езаэлектрычных керамічных палосак расцягваецца, а другая сціскаецца пры ўзбуджэнні, металічная бэлька ў сярэдзіне будзе ствараць згінальную вібрацыю. Гэты від пераўтварэння энергіі. Для выпраменьвання гукавых хваль прылада павінна падвяргацца ўздзеянню вады з аднаго боку, таму звычайна некалькі выгнутых прамянёў аб'ядноўваюцца ў паветраную паражніну, як паказана на малюнку 11b, кожная выпраменьвальная паверхня вібруе ў фазе.

 

Падобны прынцып працы называецца выгнутым дыскавым пераўтваральнікам з дыскавай структурай, якая таксама ўключае ў сябе трохслаёвую і двухслаёвую структуру. На малюнку 11c паказаны кампактны выгнуты дыскавы пераўтваральнік, які складаецца з пары двухслаістых лістоў. (Бэндэр). Аналіз сістэмы Delany даследаваў нізкія частоты, невялікія памеры і высокую магутнасць працоўных характарыстык Bender.

Распрацоўка нізкачашчынных пераўтваральнікаў вібрацыі пры згіне таксама ўключае новы тараідальны пераўтваральнік з раздзяленнем структуры (паказаны на малюнку 12). Раздзельны тараідальны пераўтваральнік можна разглядаць як спецыяльны пераўтваральнік згіннога прамяня. Арыгінальная структура была прапанавана Харысам у 1957 годзе. Кампазітны кальцавы прамень складаўся з унутранага п'езаэлектрычнага керамічнага кольца і вонкавага металічнага кольца. Мадэляванне і аналіз пераўтваральніка грунтаваліся на 'мадэлі камертона', паказанай на малюнку 12b, і рухаючы элемент быў настроены на раздзеленую структуру. Пераўтваральнік з раздзельным кольцам можа быць сканструяваны з большым памерам, а маса можа рэгулявацца праз размеркаванне па таўшчыні-цвёрдасць для дасягнення аптымізацыі працоўнай частаты і характарыстык выпраменьвання, як паказана на малюнку 12c.

 

②Датчык выгібу і расцяжэння

Канцэпцыя пераўтваральніка згінання выцяжэння пачалася з патэнта Хэйса ў 1936 г. Пасля таго, як Туліс апублікаваў патэнт на пераўтваральнік згінання згінання тыпу IV у 1966 г., пачаліся актыўныя даследаванні і прымяненне пераўтваральніка згінання згінання, і да гэтага часу іх было больш за палову. За стагоддзе гісторыі развіцця нарадзіліся розныя канструктыўныя формы пераўтваральнікаў згінання, а іх прынцыпы працы і структурныя працэсы поўныя інавацыйных дызайнерскіх ідэй. Мы не можам прадставіць іх адзін за адным у храналагічным парадку іх развіцця, толькі пераўтваральнікі згінання. Структура і метады стымулявання кампаніі дзеляцца на наступныя тры катэгорыі, якія коратка аналізуюцца і абагульняюцца.

△Датчык выгібу і расцяжэння з цыліндрычнай структурай. Гэты тып пераўтваральніка прыводзіцца ў рух падоўжным тэлескапічным вібратарам для перамяшчэння вібрацыйнай абалонкі пры згіне, як паказана на малюнку 13. Вібрацыйная абалонка пераўтваральніка ўяўляе сабой паступальную структуру, гэта значыць цыліндрычную паверхню рознай формы, якая прыводзіцца ў рух адным або некалькімі падоўжна-тэлескапічнымі вібратарамі, а - гэта пераўтваральнік згінання пры выгіне тыпу IV, b - тып VII flextensional transducer Энергетычны прыбор, c - гэта 'зорападобны' пераўтваральнік выгібу-напружання, які кіруецца артаганальным п'езаэлектрычным стэкам, і 'зоркападобны' пераўтваральнік выгібу-напружання, які кіруецца чатырохвугольным магнітастрыкцыйным вібратарам. Паколькі гэты тып пераўтваральніка лёгка распрацаваць як вібратар узбуджэння з перагародкамі, апісаны вышэй накіраваны пераўтваральнік згінання і расцяжэння звычайна выбірае гэты тып структуры.

△Датчык выгібу і расцяжэння з доўгім корпусам, які верціцца. Гэты тып пераўтваральніка прыводзіцца ў рух падоўжным тэлескапічным вібратарам для прывядзення ў рух вярчальна-сіметрычнай вібрацыйнай абалонкі з выгібам, як паказана на малюнку 14. Вібрацыйная абалонка пераўтваральніка ўяўляе сабой вярчальна-сіметрычную структуру, якая ўключае шэраг ствалавых бэлек, размеркаваных па акружнасці, якія звычайна прыводзяцца ў рух падоўжна-тэлескапічным вібратарам. Малюнкі 14a і b - гэта выпуклыя формы структуры пераўтваральніка згінання і расцяжэння тыпу I і ўвагнутай структуры; як паказана на малюнку 14c, падоўжны вібратар узбуджэння пераўтваральніка падаўжаецца ў восевым кірунку для павелічэння аб'ёму функцыянальнага матэрыялу для пераўтварэння ў пераўтваральнік згінання і расцяжэння тыпу II; як паказана на малюнку 14d, вібрацыйная абалонка пры згіне распрацавана ў форме дзвюх або больш секцый і ператворана ў датчык выгібу і расцяжэння тыпу III. Датчыкі згінання тыпу II і тыпу III маюць адпаведныя ўвагнутыя структуры.

△Датчык выгібу і расцяжэння з плоскім корпусам, які верціцца. Гэты тып пераўтваральніка прыводзіцца ў дзеянне вібратарам, які пашыраецца радыяльна, для прывядзення ў рух сіметрычнай згінаючайся вібрацыйнай абалонкі, якая вібруе, як паказана на малюнку 15. Вібрацыйная абалонка пераўтваральніка ўяўляе сабой сіметрычную структуру, звычайна пару выпуклых або ўвагнутых сферычных каронак (або сферычных каронак), якія прыводзяцца ў рух кальцавым або дыскавым вібратарам, які радыяльна пашыраецца, малюнак 15а. паказвае кальцавой прывад V-тыпу пераўтваральніка выгібу, b - гэта V-тып, які кіруецца пласцінамі, c - тып VI, d і e - малыя выгінальныя датчыкі, распрацаваныя на аснове структуры b. Прылада называецца цымбал.

△ Нізкачашчынны пераўтваральнік паражніны. Рэзанатар Гельмгольца з'яўляецца асноўнай формай падводнага акустычнага пераўтваральніка з паражніной, як паказана на малюнку 16. a, b і c - гэта тры асноўныя структуры рэзанатараў Гельмгольца, якія выкарыстоўваюць узбуджэнне п'езаэлектрычнай керамічнай трубкай, узбуджэнне гнуткім дыскам і ўзбуджэнне п'езаэлектрычным керамічным шарыкам. Рэзанатары Гельмгольца звычайна маюць вузкую рабочую паласу частот, і d выкарыстоўваецца на аснове b. Падвойныя працоўныя паверхні выгнутага дыска ўзбуджаюць рэзанансныя паражніны рознага аб'ёму для рэалізацыі аперацыі падвойнага рэзанансу. Літаратура стварыла больш поўную мадэль аналізу рэзанатара Гельмгольца і прааналізавала ўзаемасувязь паміж працоўнымі характарыстыкамі і структурнымі параметрамі 300 Гц рэзанатара Гельмгольца. Марозава і інш. спраектаваў падводную крыніцу гуку для аргана (паказана на малюнку 17). Канструкцыя, паказаная на малюнку 17а, рэалізуе настройку частоты шляхам перамяшчэння гільзы для змены імпедансу рэзананснай сістэмы. Частата перастройкі вагаецца ад 225 да 325 Гц, а эфектыўнасць да 80% і больш, што адлюстроўвае сістэму з высокай якасцю (каэфіцыент якасці) з высокімі характарыстыкамі эфектыўнасці; Малюнак 17b У канструкцыі выкарыстоўваецца двухтрубная структура з убудаванай сферычнай крыніцай гуку для дасягнення двухчастотнага рэзанансу. Нізкачашчынны рэзананс - гэта рэзананс паражніны, які складаецца з двухсекцыйнай гільзы. Высокачашчынны рэзананс - гэта толькі рэзананс, які адпавядае ўнутранай рэзананснай трубцы. Знешняя гільза і ўнутраная рэзанансная трубка могуць выкарыстоўваць металічны алюміній або неметалічныя матэрыялы з вугляроднага валакна.

⑵ Інавацыйны дызайн шырокапалоснага пераўтваральніка

У гісторыі развіцця падводнай акустычнай тэхнікі было выраблена мноства структурных формаў падводных акустычных пераўтваральнікаў, працоўныя характарыстыкі кожнага з якіх вызначаліся яго структурнымі характарыстыкамі. Каб адаптавацца да інжынерных патрэб шырокапалосных прыкладанняў, амаль кожны канструктыўны пераўтваральнік сутыкаецца з тэхнічнымі праблемамі праектавання шырокапалоснага доступу і ўдасканалення працэсу. Сярод іх падоўжны пераўтваральнік - адна з найбольш распаўсюджаных структурных формаў пераўтваральнікаў у галіне падводны шырокапалосны пераўтваральнік . Вынікі даследаванняў шырокапалоснага праектавання і прымянення даволі багатыя. Тэхнічныя прынцыпы шырокапалоснага праектавання іншых структурных пераўтваральнікаў у асноўным падобныя. Гэты раздзел прысвечаны серыі новых дызайнерскіх ідэй на аснове падоўжных пераўтваральнікаў для дасягнення шырокапалосных характарыстык.

① Шырокапалосны падоўжны пераўтваральнік дыяпазону

Прымяненне камбінацыі дыяпазонаў частот ужо пачалося на ранняй стадыі развіцця гідраакустычных тэхналогій. Раннія працы былі заўважаныя ў 1940-я гады. Тры магнітастрыкцыйныя падоўжныя пераўтваральнікі з рознымі рэзананснымі частотамі выкарыстоўваліся для кіравання прастакутнай выпраменьвальнай пласцінай і шасцю пераўтваральнікамі ў лесвічным парадку. Незалежныя рэзанансныя частоты пераўтваральніка, які кіруецца агульнай абмоткай шпулькі (паказана на малюнку 18), складаюць адпаведна 21,5, 23 і 24,5 кГц, Q=12 і Q=4 пасля камбінацыі. Нягледзячы на ​​тое, што гэты метад камбінацыі дыяпазонаў частот не з'яўляецца строга шырокапалосным пераўтваральнікам, ён па-ранейшаму шырока выкарыстоўваецца ў галіне падводнай акустыкі, асабліва ў такіх акустычных сістэмах, як мадэляванне шуму і акустычныя прынады. Камбінацыя прылад рэалізуе звышшырокапалосныя характарыстыкі выпраменьвання.

 

② Шырокапалосны падоўжны пераўтваральнік мадальнай сувязі

Пры аналізе аднамернай мадэлі звычайна мяркуецца, што пярэдняя вечка падоўжнага пераўтваральніка вібруе падобна поршню, гэта значыць, што вібрацыі пры выгіне не адбываецца. Калі ражок выпраменьвальнай паверхні пераўтваральніка адносна шырокі, ён павінен суправаджацца выгібнай вібрацыяй, што разумна. Выкарыстоўваючы рэжым выгібнай вібрацыі пярэдняй вечка для эфектыўнага спалучэння яго з рэжымам падоўжнай вібрацыі, можна распрацаваць шырокапалосны падоўжны пераўтваральнік. Літаратура вывучала эфект сувязі вібрацыі пры выгіне і падоўжнай вібрацыі квадратнай выпраменьваючай накрыўкі і распрацавала шырокапалосны пераўтваральнік. У іншай літаратуры вібрацыйны і згінальны дыск убудаваны ў радыяцыйную вечка, і згінальны дыск злучаны з рэжымам вібрацыі падоўжнага пераўтваральніка, і шырокапалосны пераўтваральнік распрацаваны і распрацаваны, як паказана на малюнку 19a. П'езаэлектрычны пакет падоўжнага пераўтваральніка можа быць распрацаваны ў некалькіх групах. Як паказана на малюнку 19b, гэта асноўная структура пераўтваральніка, якая выкарыстоўвае мадальную сувязь падвойнага ўзбуджэння для дасягнення шырокапалоснай працы. Батлер заснаваны на структуры падоўжнага пераўтваральніка падвойнага ўзбуджэння. Паглыбленыя распрацоўкі, такія як выкарыстанне магнітастрыкцыйнага і п'езаэлектрычнага гібрыднага падвойнага ўзбуджэння для распрацоўкі шырокапалоснага падоўжнага пераўтваральніка і пярэдняй вечка для ўстаўкі адпаведнага пласта 1/4 даўжыні хвалі і распрацоўка звышшырокапалоснага падоўжнага пераўтваральніка з сувяззю рэзананснага рэжыму трэцяга парадку. Прылада, як паказана на малюнку 19c, мае працоўны дыяпазон частот ад 13 да 37 кГц.

③Шырокапалосны падоўжны пераўтваральнік у спалучэнні з вадкаснай паражніной

Тыповая канструкцыя сувязі паміж падоўжным пераўтваральнікам і вадкаснай поласцю - гэта пераўтваральнік Януса-Гельмгольца (паказаны на малюнку 20). Падоўжны пераўтваральнік мае двухбаковую выпраменьвальную структуру, званую Янус, з цыліндрычнай гільзай, прызначанай для фарміравання рэзананснай паражніны Гельмгольца паміж падвойнымі выпраменьваючымі галоўкамі Януса; рэзанансны пераўтваральнік агульнай вадкаснай паражніны мае вузкі працоўны дыяпазон частот. У сумесным дадатку Janus шырокапалосная перадача можа быць рэалізавана праз аптымізаваную канструкцыю мадальнай сувязі.

Гал сканструяваў два пераўтваральніка Януса-Гельмгольца, 300 Гц і 160 Гц, і глыбока вывучыў уплыў дадання згодлівай трубкі ў рэзанансную паражніну Гельмгольца на шырокапалосныя працоўныя характарыстыкі пераўтваральніка.

⒊Тэхнічныя інавацыі для паляпшэння магутнасці выпраменьванага гуку

Прамы спосаб павялічыць гукавую магутнасць падводнага акустычнага пераўтваральніка - павялічыць аб'ём пераўтваральніка, павялічыць колькасць і сфармаваць шчыльна ўпакаваную матрыцу. Найбольш эфектыўны метад - выкарыстанне функцыянальных матэрыялаў з высокай шчыльнасцю энергіі. У папярэдніх раздзелах тлумачылася прымяненне функцыянальных матэрыялаў з высокай шчыльнасцю энергіі. У гэтым раздзеле асноўная ўвага прысвечана тэхнічным інавацыям у структуры і працэсе малагабарытных пераўтваральнікаў высокай магутнасці.

Пры апісанні пераваг і недахопаў невялікага памеру і высокай магутнасці пераўтваральніка для вымярэння звычайна выкарыстоўваецца аб'ёмная вартасць, а менавіта

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Формула ⑴ вызначае аб'ёмны каэфіцыент якасці пераўтваральніка, дзе: Wa - гукавая магутнасць (Вт), V - аб'ём пераўтваральніка (м3), f0 - рэзанансная частата (Гц), Q - каэфіцыент якасці, аб'ёмны каэфіцыент якасці прылады цесна звязаны са структурай і функцыянальнымі матэрыяламі. Дэлані спраектаваў і распрацаваў кампактны выгнуты дыскавы пераўтваральнік (Bender), а таксама сістэматычна аналізаваў і вывучаў працоўныя характарыстыкі нізкачашчыннага, малогабарытнага і высокамагутнага рэжыму Bender.

 

 

У літаратуры распрацоўваецца пераўтваральнік выгібу і расцяжэння з увагнутай структурай тыпу I (увагнутага ствалавога тыпу) у больш кампактную камбінацыю, якая дазваляе некалькім кластарам пераўтваральнікаў у абмежаваным аб'ёме максымізаваць аб'ёмны зрух і дасягнуць вялікіх характарыстык магутнасці, як паказана на малюнку 21, вяршыні 6 пераўтваральнікаў выгібу і расцяжэння тыпу I аб'ядноўваюцца разам, каб утварыць «трохмерную шасціканцовую зорку». flextensional transducer, які мае характарыстыкі кампактнай структуры, нізкай частаты, высокай магутнасці і шырокага дыяпазону частот: асноўная рэзанансная частата Адказ на напружанне перадачы пры 1,15 кГц складае 127 дБ, усенакіраваны, а водгук напружання перадачы ад 800 Гц да 10 кГц перавышае 120 дБ. Параметр FOMv не прыведзены ў літаратуры, і чакаецца, што ён будзе эквівалентны або вышэйшы за 'зоркападобны' пераўтваральнік згінання расцяжэння.

Прыведзены вышэй праект і аналіз для дасягнення малых памераў і высокай магутнасці ў асноўным пачынаюцца з электрычных і механічных межаў і ўлічваюць толькі шчыльнасць энергіі функцыянальных матэрыялаў і мяжу вібрацыі канструкцыі. Калі пераўтваральнік патрабуе працяглага імпульсу або бесперапыннай працы, цяпло і цеплавыдзяленне пераўтваральніка будуць самай вялікай праблемай ва ўмовах высокай магутнасці. У гэты час цеплавая мяжа з'яўляецца асноўным фактарам, які абмяжоўвае канчатковую магутнасць пераўтваральніка. Цеплавы мяжа пераўтваральніка з'яўляецца адным з важных асноўных пытанняў, якія занепакоеныя ў тэхніцы. Як і пра дэталі працэсу пераўтваральніка, існуе не так шмат публічна апублікаваных навуковых прац. Ёсць літаратура для мадэлявання і аналізу цеплавых праблем нізкачашчынных і магутных пераўтваральнікаў, а таксама для абмеркавання праблем цеплаправоднасці пераўтваральнікаў Януса-Гельмгольца і пераўтваральнікаў гнуткага расцяжэння тыпу IV. Калі пераўтваральнік працуе на плыткаводдзе, асабліва пры перадачы нізкай частоты і высокай магутнасці, павелічэнне магутнасці гуку таксама будзе абмежавана акустычнай мяжой каэфіцыента кавітацыі. На гэтым фоне метад павышэння магутнасці аднаго пераўтваральніка ўжо неэфектыўны. Базавы масіў таксама будзе абмежаваны, так што ёсць толькі адзін спосаб сфармаваць разрэджаны базавы масіў.

Такім чынам, пры распрацоўцы нізкачашчынных і высокамагутных пераўтваральнікаў неабходна рацыянальна выбіраць структурную форму і матэрыялы, якія выконваюць функцыю прывада, з улікам такіх фактараў, як электрычная мяжа, механічная мяжа, цеплавая мяжа і акустычная мяжа, а таксама правесці агульны аналіз і комплексную аптымізацыю. Існуе аптымальнае суадносіны паміж лімітавай магутнасцю і аб'ёмам пераўтваральніка. Паглыбленыя даследаванні па гэтым пытанні стануць адным з тэхнічных напрамкаў нізкачашчынных і магутных пераўтваральнікаў у будучыні.

 

⒋Тэхналагічныя інавацыі для павышэння ўстойлівасці да гідрастатычнага ціску

У цяперашні час акадэмічная супольнасць прапанавала такія ідэі развіцця, як празрыстыя акіяны і інфарматызаваныя акіяны. Мэта складаецца ў тым, каб дазволіць падводным інфармацыйным тэхналогіям ахапіць усе куткі акіяна, уключаючы палярныя рэгіёны і абісальныя траншэі. Таму яны вылучаюць патрабаванні да выкарыстання падводных акустычных пераўтваральнікаў на большай глыбіні. Нават аспрэчыць здольнасць працаваць у глыбокім моры. Здольнасць да гідрастатычнага ціску пераўтваральніка цесна звязана са структурай пераўтваральніка, асабліва для нізкачашчынных выпраменьвальных пераўтваральнікаў з нізкай калянасцю канструкцыі. Рашэнне тэхналогіі структуры супраціву гідрастатычнаму ціску стала важнай тэмай у сучасным полі тэхналогіі пераўтваральнікаў. Цяперашнія эфектыўныя метады і сродкі вырашэння працоўнай глыбіні ў асноўным уключаюць запаўненне вадкасцю, адпаведнае запаўненне трубкі вадкасцю, натуральную канструкцыйную падтрымку, кампенсацыю газавага балона высокага ціску, кампенсацыю падушкі бяспекі і г.д., на працоўных глыбінях больш за 1000 м адзіным эфектыўным тэхнічным метадам з'яўляецца тэхналогія запаўнення вадкасцю, у тым ліку Тып свабоднага пераліву непасрэдна выкарыстоўвае марскую ваду ў якасці напаўняльнай вадкасці або запаўняе некаторыя носьбіты імпедансу алею для дасягнення балансу самастатычнага ціску; у межах 1000 м трубку, устойлівую да ціску, можна адначасова выкарыстоўваць у вадкаснай паражніны, каб палепшыць згодлівасць вадкаснай паражніны; У межах 200 м натуральная апора канструкцыі вытрымлівае гідрастатычны ціск. Некаторыя пераўтваральнікі з вельмі нізкай структурнай калянасцю (напрыклад, пераўтваральнікі з рухомай шпулькай) могуць выкарыстоўваць паветраныя балоны высокага ціску для забеспячэння кампенсацыі ціску. Як правіла, у межах 100 м можна выкарыстоўваць кампенсацыю падушкі бяспекі. Прадстаўлены вышэй пераўтваральнік паражніннай структуры ў цэлым можа быць распрацаваны ў рэжыме працы з напоўненай вадкасцю для дасягнення глыбакаводнай працы. У гэтым раздзеле прыведзены некалькі прыкладаў прымянення алейнанапоўненых канструкцый.

 

У даследчай працы Кендыга , апублікаванай у 1965 г., камбінаванае прымяненне 4 п'езаэлектрычных керамічных падоўжных пераўтваральнікаў з дыскавым прывадам PZT-4, напоўненых сіліконавым алеем для абароны пустэчы, якая ўтварылася паміж сталёвай абалонкай (у тым ліку гукапрапускальнай гумовай пласцінай) і пераўтваральнікам. Паражніна злучана з задняй камерай вадкасці. Пярэдняя гукапранікальная гума і задняе гумовае акно знаходзяцца ў кантакце з марской вадой для дасягнення балансу ўнутранага і знешняга ціску. Рабочая паласа частот пераўтваральніка складае 30-50 кГц, эксперыментальна даследавана праца ў дыяпазоне гідрастатычнага ціску 0-6,9 МПа. Характэрна, што гэты метад балансу ціску да гэтага часу выкарыстоўваецца ў многіх глыбакаводных гідралакатарах. На малюнку 22b паказаны тараідальны пераўтваральнік са свабодным пераліўным канструкцыяй з алейнай структурай. П'езаэлектрычнае керамічнае кольца падвешана ў поліўрэтанавай гумовай гільзе, а ўнутры напоўнена сіліконавым алеем для дасягнення балансу ціску са знешнім светам. Поліўрэтанавы гумовы рукав з'яўляецца ідэальным матэрыялам для перадачы гуку, гэты від пераўтваральніка мае такія ж працоўныя характарыстыкі, як форма пакрыцця з поліурэтанавага каўчуку прамой інфузорыя. Для круглай трубкі PZT-4 Φ 150 мм × Φ 140 мм × 50 мм аналіз мадэлявання і эксперыментальнае даследаванне поліурэтанавай гумы ў дыяпазоне частот 5 ~ 10 кГц. Матэрыял гільзы заменены тытанавым сплавам або сталлю. У выніку тытанавы сплаў зніжае характарыстыку напругі выпраменьвання прыкладна на 6 дБ, а сталь - прыкладна на 12 дБ.

 

3. Заключэнне

Гледзячы на ​​стогадовую гісторыю развіцця тэхналогіі пераўтваральнікаў, ад нараджэння першага п'езаэлектрычнага пераўтваральніка да інтэнсіўнага развіцця сучасных тэхналогій пераўтваральнікаў, часта з'яўляюцца тэхналагічныя інавацыі ў галіне падводных акустычных пераўтваральнікаў. Асноўныя мэты інавацый і развіцця тэхналогіі пераўтваральнікаў ўключаюць: спрашчэнне складаных працэсаў, ліквідацыю тэхнічных вузкіх месцаў, перапісванне тэхнічных абмежаванняў, паляпшэнне комплексных тэхнічных характарыстык, прапанову новых канцэпцый і новых механізмаў, стварэнне і развіццё новых тэхнічных напрамкаў, а таксама паглыбленне і ўдасканаленне тэорыі дысцыплін сістэмы пераўтваральнікаў і гэтак далей. У гэтым артыкуле прадстаўлены некаторыя даследаванні, якія адлюстроўваюць інавацыйны дызайн і вытанчанае майстэрства пераўтваральніка з аспектаў прымянення новых матэрыялаў, новай структуры і тэхналогіі пераўтваральніка і г.д.