Nový typ podvodního akustického převodníku a nová technologie převodníku

Akustické vlny jsou jediným nosičem, který lidé mají a který může přenášet informace a energii na velké vzdálenosti v obrovském oceánu. Na souši lidé využívají elektromagnetické vlny k vývoji radarů. Podobně lidé používají akustické vlny jako nosiče informací k vývoji podvodních cílů pro detekci a elektronických zařízení pro určování polohy, identifikaci a komunikační sonar. Tváří v tvář obrovskému oceánu nese sonar důležitou misi, která zasahuje do všech koutů obrovského oceánu, identifikuje v něm různé věci, které lidem sdělují pravou tvář podmořského světa a pomáhají lidem prozkoumávat záhady oceánu, aby se staly podvodní komunikační navigací, vodním rybolovem, rozvojem mořských zdrojů, mořskou geologií a geomorfologií, proč se při průzkumu vodních vln staly nejlepším nosičem zvukové vlny, důvod, proč se zvukové vlny při průzkumu vodních vln staly nejlepším důvodem nejmenší koeficient útlumu ve srovnání s jinými fyzikálními poli, jako jsou elektromagnetické vlny, a může být přenášen na velké vzdálenosti. Tato výhoda dělá sonar pomocí ultrazvukových vln k pozorování pod vodou od začátku. Cíl začíná a dále se vyvíjí. V současné době je pracovní frekvenční pásmo sonaru rozšířeno do širokého rozsahu. Aktivní sonar byl rozšířen z desítek Hz na desítky MHz a nízkofrekvenční konec pasivního sonaru byl rozšířen na infrazvukový rozsah. V takto širokém frekvenčním pásmu se podle předpisů důležité zařízení, které stimuluje a generuje zvukové vlny ve formě signálů a snímá a přijímá zvukové vlny ve vodě bez zkreslení, nazývá sonarový převodník nebo sonarové pole. Tato zařízení jsou předním vybavením sonarového systému, stejně jako 'okno' pro sonarový systém pro interakci s vodním médiem a výměnu informací a jsou 'realizátory' funkcí sonarového systému, pro sonarové převodníky nebo sonarové pole. Živě se tomu říká 'oči a uši' sonarového systému. S neustálým rozšiřováním aplikační oblasti sonarové technologie a stále se zvyšující poptávkou po vojenské konfrontaci a boji se jeden po druhém objevily nové principy, nové technologie a nové sonarové vybavení. Požadavky na vývoj nové sonarové technologie vedly k rychlému rozvoji technologie měničů a ke stejným technologickým průlomům v oblasti měničů a vývoji nových materiálů, nových mechanismů a nových struktur podvodní akustické měniče také učinily sonarový systém 'osvěžujícím'. Zde je stručný přehled stavu vývoje technologie převodníků v posledních letech na základě informací, které má autor, a omezené úrovně porozumění. Zahrnuje především nový materiál hydroakustického měniče, novou strukturu a nový mechanismus hydroakustického měniče, nový typ hydrofonu, širokopásmovou technologii měniče a tak dále.

 

2 Nový materiál podvodního akustického měniče

 

Převodník je zařízení, které realizuje přeměnu energie v sonarovém systému. V měniči je speciální materiál, který má schopnost přeměňovat energii. Tento materiál se nazývá funkční materiál. Mezi funkční materiály používané k výrobě měničů patří především piezoelektrické materiály (jako jsou piezoelektrické krystaly, piezoelektrická keramika, piezoelektrické polymery atd.) a magnetostrikční materiály (jako jsou nikl, kobalt, slitiny niklu a železa, ferity, slitiny železa vzácných zemin atd.), využívají piezoelektrický jev a vzájemnou přeměnu magnetické energie mezi elektrickým polem nebo magnetostrikčním účinkem. Průlom technologie měničů je zásadně určen technologickým průlomem funkčních materiálů. Různé technické výdobytky v oblasti funkčních materiálů v posledních letech také přinesly úsvit do rozvoje technologie převodníků. Lékař zjistil, že lanthanoidové materiály vzácných zemin mají úžasné magnetostriktivní vlastnosti, ale v praxi nebyly použity, protože Curieův bod je nižší než pokojová teplota. Později bylo zjištěno, že binární, ternární nebo kvartérní slitiny složené z prvků vzácných zemin a železa mají také obří magnetostrikční vlastnosti při pokojové teplotě. Nejreprezentativnější slitinou vzácných zemin je Terfenol-D (složení Tb0,27Dy0,73Fe1). 95), stal se novým typem funkčního materiálu, který přitahuje velkou pozornost od 80. let 20. století. Relaxační feroelektrický monokrystal olovnatý hořečnato-niobičnan-olovnatý titaničitan (PMN-PT) a olovnatý zinek-niobičnan-olovnatý titanát (označovaný jako PZN-PT) jsou nové typy kompozitních perovskitových krystalických materiálů a také vznikají třída nových funkčních materiálů s velkými vyhlídkami na použití. Předtím se jako materiál pro převodníky běžně používal nikl. V roce 1917 francouzský vědec Langevin vyrobil sonarový převodník s křemenným krystalem, který ve 40. letech 20. století vytvořil precedens pro použití piezoelektrických materiálů v sonaru, keramika BaTiO3 pzt se silnými piezoelektrickými vlastnostmi byla úspěšně vyvinuta a široce používána v sonarových systémech. Piezoelektrická keramika PZT vyvinutá v 50. letech minulého století má široký rozsah provozních teplot a vynikající elektromechanické vlastnosti. Účinnost konverze kompenzuje nedostatek keramiky Ba TiO3 a kdysi se stala materiálem volby pro podvodní akustické měniče. Mezi nimi je piezoelektrický keramický materiál s vysokou hustotou energie PZT-8. Jednoduché srovnání výše uvedených materiálů: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT může způsobit napětí asi 5krát větší než PZT-8 a 50krát větší než nikl; piezoelektrické konstanty PMN-PT a PZN-PT jsou d33. Je 6-8krát vyšší než u materiálu PZT-8. Použití těchto materiálů pzt k vývoji nových podvodních akustických měničů je jedním z aktuálních horkých témat.

 

Magnetostrikční materiál z válec podvodní akustický převodník je vzácný, tento obří magnetostrikční materiál země využívá magnetostrikční efekt k realizaci vzájemné přeměny mezi energií magnetického pole a mechanickou energií a používá se hlavně k vývoji nízkofrekvenčních a vysoce výkonných podvodních převodníků akustické emise. Je to jakási 'složitá' struktura měniče-vysokoteplotní supravodivý magnetostriktivní hydroakustický měnič. Z hlediska struktury převodníku je jeho konstrukce velmi jednoduchá. Je to obyčejný dvouradiátorový podélný měnič. Takzvaný 'komplex' zde odkazuje na jeho bohatou fyzickou konotaci. Magnetostrikční síla materiálů slitin vzácných zemin při nízké teplotě je větší než při pokojové teplotě. Například maximální magnetostrikční napětí Tb0,6Dy0,4 při teplotě 77 K je 0,65 %, zatímco Terfenol-D je při pokojové teplotě. Nejvyšší magnetostrikční napětí je 0,25 %. Vyvinut magnetostrikční hydroakustický měnič z materiálu Tb0.6Dy0.4 s teplotním rozsahem 50-60K: tyčový materiál ze slitiny vzácných zemin je umístěn v klimatizační místnosti a chladicí věž chladničky je cyklicky chlazena a klimatizační místnost je zajišťována cívkou ze supravodivého materiálu. Předpětí magnetické pole a excitační magnetické pole vybudí magnetostrikční tyč k vytvoření natahovací vibrace, která se přenáší na vyzařovací povrch pístového typu přes mechanický přechodový kus, a vyzařovací povrch pístového typu tlačí vodní médium, aby generovalo záření tlakové vlny. V konstrukci je navržena vakuová komora, která izoluje vedení tepla. Vnější stěna vakuové komory je kopulovitý tlakově odolný kryt, který odolá tlaku 10 atmosfér. Hlavní technické parametry jsou následující: rezonanční frekvence 430 Hz, maximální hladina zdroje zvuku 181. 4db, účinnost cca 25%. Výrobní proces tohoto typu převodníku je komplikovaný. V posledních letech jsou lidé stále ochotni používat materiál terfenol-D, který funguje při pokojové teplotě, opustit určité magnetostrikční napětí a nahradit jej novou strukturou, aby bylo dosaženo vynikající radiační účinnosti. Následuje stručný úvod k pokroku ve výzkumu několika strukturálních magnetostrikčních materiálů v podvodních akustických měničích. Podélný měnič má jednoduchou konstrukci. Magnetostrikční tyč je kombinována s přední vyzařovací hmotou hlavy a ocasu a vytváří podobný jednorozměrný vibrační systém. Přední vyzařovací hlava je obecně vyrobena z lehkých materiálů a ocasní část je obecně vyrobena z hustých materiálů, aby se dosáhlo vyzařovacího povrchu. Výstup větší vibrační posun. Představeny jsou dva podélné snímače vyvinuté s materiály Terfenol-D. Jedním je obecný podélný měnič s rezonanční frekvencí 1200 Hz, akustickým výkonem 3 kW a hmotností měniče 60 kg; druhá je tyč ze vzácných zemin na obou koncích. Konstrukčně řešený jako trubkovitý oboustranný vyzařovací podélný měnič, rezonanční frekvence je 400 Hz, akustický výkon je 1,5 kW a hmotnost měniče je až 100 kg. Prstencový měnič: pravidelný mnohoúhelník obklopený řadou tyčí ze vzácných zemin a řada povrchů kruhového oblouku jsou buzeny přechodovým kusem, aby vytvářely radiální vibrace pro dosažení vysoce výkonného akustického záření. Byla vyvinuta řada nízkofrekvenčních vysokovýkonných toroidních měničů vzácných zemin včetně měničů s rezonanční frekvencí 200 Hz (vnitřní průměr 0,56 m, vnější průměr 0,94 m, výška 0,37 m, hladina zdroje zvuku 193 dB, hmotnost 410 kg) a měnič s rezonanční frekvencí zdroje 30121m Hz, průměr zdroje 30121m Hz hladina 195dB, hmotnost 5t). Flextensional měnič je druh měniče, který využívá podélné vibrace piezoelektrického keramického svazku nebo magnetostrikční tyče k buzení povrchu záření pláště (nebo paprsku válce) s amplitudovým zesílením pro ohybové vibrace. Je uvedeno několik běžně používaných snímačů. Typy flextenzních snímačů, mezi nimiž I, II a III mají stejné vlastnosti. Podélná vibrační tyč budí rotačně symetricky zakřivený plášť. Plášť může být souvislá konstrukce nebo konstrukce, která je rozřezána do skupiny trámů. Purcell použil materiál Terfenol-D k vývoji konkávního snímače ohybu a napětí paprsku (typ III) s rezonanční frekvencí 1300 Hz, úrovní zdroje zvuku 188,7 dB a šířkou pásma 600 Hz. Díky použití jednoho otevřeného magnetického obvodu s jednou tyčí je rezonanční frekvence Maximální střídavá elektroakustická účinnost je pouze 7 % a hmotnost převodníku je 2,7 kg. Flextenzní měniče typu Fish-lip mají společné vlastnosti. Snímač je buzen podélnou vibrační tyčí, aby se ohýbal konvexní nebo konkávní eliptický plášť, aby se dosáhlo vysoce výkonného záření. Ohebný tahový snímač rybího rtu využívá efekt amplitudového zesílení. Účinek vážení s plochou zvyšuje výkon zvukového záření. Hlášeno o tomto novém typu nízkofrekvenčního vysoce výkonného podvodního akustického měniče, včetně rezonanční frekvence 210 Hz, 450 Hz, 800 Hz a 1200 Hz, výsledky výzkumu tohoto nového typu měniče se v současnosti používají v nízkofrekvenčních aktivních sonarových systémech a zvukových simulátorech, jako jsou akustika.

 

Relaxační feroelektrický materiál podvodní akustický měnič

 

Relaxorové feroelektrické materiály jsou druhem potenciálních funkčních materiálů, které lze rozdělit na elektrostrikční keramické typy a relaxorové feroelektrické monokrystalové typy. Výrobní proces relaxorových feroelektrických monokrystalů je mnohem složitější než u elektrostrikčních keramických materiálů. Výzkumníci použili tyto materiály k výrobě mnoha typů měničů, jako jsou ohybové měniče, podélné měniče a tak dále. Technologie výroby snímačů tohoto typu materiálu je složitější a je nutné přidat stejnosměrné předpětí, použít předpětí a řídit teplotu procesu. Použití elektrostrikční keramiky PMN-PT-BT (niobát hořečnatý-niobát olova-titanát barnatý) vyvinulo flextenzní měnič IV typu. Výsledky výzkumu ukazují, že vyvinutý měnič nevyužil potenciál materiálu na maximum. Tato práce bude stále po určitou dobu jedním z horkých míst, která je třeba v oblasti podvodních akustických měničů prozkoumat. Použití PMN-PT relaxorového feroelektrického monokrystalového materiálu ke studiu 64 kanálů 3,5MHz ultrazvukové sondy, používané v lékařském B-ultrazvuku a Dopplerově barevném ultrazvukovém zobrazovacím zařízení, což naznačuje, že relaxorový feroelektrický monokrystalový materiál ve vysokofrekvenčním obrazovém sonaru.

 

Piezoelektrický polymerní film sférický podvodní akustický měnič může být vyroben do flexibilní membrány a měnič může být navržen do jakéhokoli tvaru při výrobě měniče a akustická impedance materiálu je nízká a je snadné dosáhnout impedance s vodou a jinými tekutými médii a biologickými tkáněmi. Odpovídající, často používané k výrobě vysokofrekvenčních standardních hydrofonů, vysokofrekvenčních převodníků, lékařských ultrazvukových převodníků, konformních polí a diverzifikovaných kompozitních polí převodníků, Běžně používaným piezoelektrickým polymerem pro výrobu převodníků je hlavně polyvinylidenfluorid (PVDF). V současné době je poutavější film z piezoelektrického polymerního materiálu EMFi (zkratka pro electro mechanicfil) druh flexibilního filmu z polypropylenové pěny, jehož piezoelektrická konstanta je asi 10krát vyšší než u PVDF, kterou lze použít k výrobě vysoce citlivých měničů. Struktura tenkovrstvého snímače EMFi má průměr přijímací plochy 35 mm a přijímací citlivost snímače je větší než -190 dB (referenční hodnota je 1V/μPa). Tento druh převodníku lze také použít ve vzduchu k příjmu nebo vysílání zvukových vln.

 

Představení nové struktury podvodního akustického měniče a různých transdukčních mechanismů. Funkční materiály jsou u měniče důležité, ale je potřeba je hrát vhodnou konstrukcí. Proto se konstrukční návrh převodníku jeví jako zvláště důležitý při vývoji technologie převodníků. důležité. Podle různých oblastí použití a různých technických požadavků nebo podle charakteristik různých převodních mechanismů a funkčních materiálů vyšly jeden po druhém různé typy převodníků, z nichž mnohé kombinují multidisciplinární technologie, aby společně prolomily nové základy Technické potíže, aby splnily některé speciální technické požadavky. Typickým příkladem je vysokoteplotní supravodivý magnetostrikční hydroakustický měnič. V předchozím obsahu tohoto článku a typech měničů, které budou představeny později, je mnoho také nových struktur a nových mechanismů podvodních akustických měničů. Abychom se neopakovali, tato část uvádí pouze dva další příklady návrhu nových konstrukcí.

 

Převodník činelové typu (činel) je druh převodníku nové struktury podobné flextenznímu převodníku. Každý měnič typu činel se skládá z páru piezoelektrických keramických disků PZT a jednoho. Kovové víčko je spojeno dohromady. Piezoelektrický keramický kotouč PZT přivádí střídavé napětí ke generování radiálních vibrací, které vybudí kovovou čepičku pro ohybové vibrace, a vyvýšená kovová čepička měniče vytváří střídavé vibrace 'roztažení-smrštění'. Radiační zvukové vlny. Když stejná střídavá tlaková vlna působí na kovový uzávěr, tlak se přenese na piezoelektrický keramický kotouč PZT a střídavé napětí je vyvedeno na dva póly keramického kotouče, který se používá jako přijímací měnič. Rezonanční frekvence snímače činelového typu ve vodě je 16,1 kHz a odezva emisního napětí je 130 dB (referenční hodnota je 1 μPa/V, na 1 m). Obrázek 5 také ukazuje fotografii 9-prvkové matice složené z tohoto typu převodníku. . V nízkofrekvenčním piezoelektrickém měniči typu spirálové pružiny je piezoelektrická keramika zpracována do tvaru spirálové pružiny (jak je znázorněno na obrázku 6),piezoelektrický keramický měnič je polarizován v tangenciálním směru a poté je zkonstruován pár excitačních elektrod. Neutrální sekce bez elektrod uprostřed je oddělena tak, aby vytvořila pár 1 elektrod vnějšího kruhu a pár elektrod 2 vnitřního kruhu (viz zvětšený schematický diagram malého fragmentu na obr. 6). Tímto způsobem je na elektrodový pár přivedeno budicí napětí V, část piezoelektrické keramiky ovládaná párem elektrod vnějšího kroužku a párem elektrod vnitřního kroužku bude produkovat opačné vibrace (prodlužování nebo smršťování) a expanzní a smršťovací pohyb pružinového systému pohání pracovní plochu pístu k vibraci zvukové energie. Vzhledem k nízké tuhosti této konstrukce má nízkou rezonanční frekvenci a lze ji použít jako nízkofrekvenční vysílací měnič. Při použití jako přijímač má také vysokou citlivost v nízkofrekvenčních pásmech. Na základě piezoelektrické rovnice byl získán vztah elektromechanické konverze tohoto typu měniče a byly provedeny průzkumné výzkumné práce.

 

Úvod do různých mechanismů přeměny energie v podvodních akustických měničích Z hlediska přeměny energie lze měniče rozdělit především na piezoelektrické měniče, které využívají piezoelektrický jev k dosažení přeměny energie, a magnetické, které k dosažení přeměny energie využívají magnetostrikční účinek. Zatahovací převodníky, převodníky zahrnuté ve výše uvedeném obsahu patří k těmto dvěma typům.