Nový vývoj piezokeramiky používané v podvodních sonarových měničích

Převodník je důležitou součástí sonaru. Z pohledu historie hydroakustiky je každý krok vývoje podvodní akustiky neoddělitelný od vývoje technologie měničů. Protože hydroakustické měniče hrají klíčovou roli v podvodním akustickém inženýrství, mnoho rozvinutých zemí do výzkumu enormně investovalo. Z historie vývoje podvodních akustických zařízení, z počátku 1. světové války, převodník typu Langevin sestávající z piezoelektrické keramické krystaly a kovové hmoty. byly použity Po mnoha výměnách produktů byly převodníky použity. Výkon se výrazně zlepšil. V posledních dvou nebo třech desetiletích, kvůli vojenské poptávce, rychlému rozvoji vědy a technologie, neustálému vývoji a aplikaci nových materiálů měničů a aplikaci analýzy konečných piezoelektrických prvků v konstrukci měničů, výzkumu měničů. Na základě klasické teorie a analytických metod se objevilo mnoho nových konceptů a metod. Podvodní akustický měnič čelí novému kolu výměny produktu. Obří magnetostrikční diluovaný převodník, vysoce výkonný elektrostrikční piezokeramický převodník, vektorový hydrofon, piezoelektrický kompozitní převodník, nízkofrekvenční velkoplošný hydrofon PVDF, hydrofon s optickými vlákny atd. Představuje nejnovější vývoj ve výzkumu převodníků. Z tohoto hlediska se tento článek těší na nejnovější vývoj podvodních sonarových převodníků.

obří magnetostrikční měnič

V 70. letech AE Clark objevil, že slitiny vzácných zemin mají supermagnetostrikční vlastnosti. Tato maximální napětí způsobená magnetostrikčními účinky jsou 6 až 20krát větší než ta piezoelektrický trubkový měnič používaný v podvodních akustických měničích a hustota energie je asi 10 až 20krát a rychlost zvuku je pouze 2/3 až 3/4 piezoelektrické keramiky a je uvedeno srovnání výkonu mezi materiálem vzácných zemin Terfenol2D a konvenčním piezoelektrickým materiálem PZT-8 a niklem. Proto za stejných objemových podmínek má hydroakustický měnič Terfenol2D rezonanční frekvenci, která je o 2/3 až 3/4 nižší než rezonanční frekvence piezoelektrického keramického hydroakustického měniče. Protože měnič vyrobený z obřího magnetostrikčního materiálu vzácných zemin Terfenol2D má vlastnosti velkého vysílacího výkonu, malého objemu, nízké hmotnosti a prostředí s vysokou teplotou, je získán při vývoji nízkofrekvenčního-velmi nízkofrekvenčního vysokovýkonného podvodního akustického měniče. Přiměřená pozornost a aplikace. V 80. letech 20. století vyvinuly rozvinuté země různé převodníky vzácných zemin a aplikovaly je ve vojenské oblasti. Švédsko úspěšně vyvinulo zakřivené měniče vzácných zemin s akustickým výkonem 151 kW pro hledání min. Čína zahájila výzkum v 90. letech 20. století, ale udělala rychlý pokrok. Úspěšně vyvinuli ohybové převodníky ze vzácných zemin, vykládané převodníky ze vzácných zemin a podélné kompozitní tyčové převodníky ze vzácných zemin atd. Hlavními rysy materiálů Terfenol2D jsou (1) křehké materiály a obtížné obrábění. (2) Vzhledem k tomu, že materiály vzácných zemin nejsou pouze magnetickým vodivým materiálem, ale také vodivým materiálem, při změně vnějšího magnetického pole dojde k převodu vzácných zemin. Uvnitř budou generovány ztráty vířivými proudy a ztráty budou velké při vysokých frekvencích. Ve srovnání s piezoelektrickými keramickými měniči potřebují obří magnetostrikční měniče řešit problémy, jako je magnetické předpětí, předpětí, ztráty vířivými proudy a kompenzace hluboké vody. V současné době existuje několik řešení těchto nedostatků. Za účelem řešení problému křehkého materiálu a velkých ztrát vířivými proudy je studován obří magnetostrikční materiál GMPC, práškový Terfenol 2D, smíchané spojovací materiály a lisování a formování práškovou metalurgií. Pro konstrukci obřích magnetostrikčních měničů je výhodným řešením plně využít jeho velké deformace a vysoké hustoty energie jako zdroje buzení ohybového měniče. Může být použit k výrobě různých nízkofrekvenčních, malých objemů a vysokých výkonů. Správný výběr magnetického předpětí, předpětí a aplikačních technik obřích magnetostrikčních materiálů vzácných zemin má velký vliv na výkon převodníku. Obecně se magnetické předpětí volí při 1/3 hodnoty magnetostrikčního nasycení a předpětí se volí od 7 MPa do 10 MPa pro získání velkého výstupního výkonu.

Hydrofon s optickými vlákny

Technologie hydrofonů s optickými vlákny začala koncem 70. let v americké námořní laboratoři. Hydrofon s optickými vlákny má výhody vysoké citlivosti, silné schopnosti proti elektromagnetickému rušení, velkého dynamického rozsahu, malé velikosti a nízké hmotnosti Piezoelektrická polokoule Pzt4 . Proto byla tato technologie již od svého zrodu vysoce ceněna a byla považována za jednu z klíčových technologií obrany státu. Po více než 20 letech vývoje dosáhla technologie hydrofonů s optickými vlákny ve vyspělých zemích velkého pokroku a byly představeny různé hydrofony s optickými vlákny. Dokončili celovláknový hydrofonní systém pro monitorování zvuku ponorky, vlečné pole, ponorkové konformní pole a tak dále. Zejména úspěšný vývoj pevnolátkových laserů otevřel široký svět aplikací pro optická vlákna. Technologie hydrofonů s optickými vlákny má také dobrý začátek. Výkon prototypu jednotky se blížil nebo dosáhl mezinárodní úrovně a byl proveden výzkum technologie hydrofonního pole s optickými vlákny. Průnik sonarového výzkumu do laserové technologie nepochybně otevře novou stránku v sonarovém výzkumu. Všechny druhy hydrofonů s optickými vlákny jsou navrženy podle účinku zvukové vlny, aby se dosáhlo fázové modulace nebo modulace intenzity světla vlákna. Vlákno se dělí na multividové vlákno a jednovidové vlákno. Hydrofon s optickými vlákny je většinou vyroben z jednovidového vlákna. Typ interferometru a typ modulace intenzity světla. Působením akustického tlaku se v jádru optického vlákna vytváří napětí, které způsobuje změny indexu lomu a délky. Tyto dvě změny způsobují fázovou modulaci laseru šířícího se v optickém vláknu. Hydrofon s optickým vláknem typu interferometru má používat vlákno, které je ovlivněno zvukovým polem, jako citlivé vlákno a druhé je odděleno od zvukového pole. Jako referenční vlákno je použito vlákno s pevným fázovým rozdílem, které je umístěno na ramenech interferometru a fotoelektrický převodník. Po syntéze se na povrchu přijímaného fotonásobiče vytvoří interference a detekuje se akustická informace. Vzhledem k tomu, že vlnová délka světla je velmi malá, mírné namáhání signálu způsobené akustickým tlakem není malou změnou vzhledem k vlnové délce světla a způsobuje tak velkou změnu intenzity výstupního světla, takže citlivost hydrofonu typu interferenčního vlákna je obzvláště vysoká. Technická výkonnost optického hydrofonu vláknového interferometru je následující: citlivost přijímacího napětí: - 140dB (0dB = 1V/μPa) Fázová citlivost: 2. 56 × 10 - 8 rad / μPa .Kmitočtová odezva: 16Hz ~ 10kHz (vlnění ≤ 3dB) směrovost ≤ 2.dB 5dB) Mezi všemi hydrofony typu intenzity je hydrofon mřížkového typu nový, osvědčený a účinný podvodní akustický detektor. 

Výstup je vyjádřen jako přímá modulace intenzity dopadajícího zvukového pole. Jeho hlavním pracovním principem je způsobit relativní posunutí dvou mřížek mezi konstantním zdrojem světla a přijímačem světla působením zvukového pole a intenzita příjmu je funkcí relativního posunutí dvou mřížek, takže zvukové pole může být transformováno. Pro modulaci intenzity. Samotný mřížkový hydrofon sestává v podstatě ze dvou axiálně uspořádaných optických vlnovodů (nebo vláken) s malou mezerou a otvory v mezeře, které řídí propustnost, zajišťují požadovanou modulaci intenzity. Hydrofon poskytuje všechny výhody zařízení s přímou modulací intenzity a je levný. Metodou mřížky lze dosáhnout relativně vysoké citlivosti a zařízení je jednoduché na výrobu, bez jakékoli pokročilé optické technologie, má dynamický rozsah až 160 dB a má schopnost detekovat posun způsobený zvukem menším než 0,01 A. Navíc díky flexibilnímu výběru hustoty mřížky, offsetu, optického výkonu a struktury hydrofonu je větší flexibilita v návrhu velikosti a provozního frekvenčního rozsahu, dynamického rozsahu. U hydrofonů s optickými vlákny je hlavním zdrojem hluku výstřel způsobený kolísáním proudu na fotodiodě a často se označuje jako teoretická mez hluku. Kromě toho má na výkon přímý vliv vyrovnání paprsku, izolace referenčního paprsku a izolace zdroje vibrací. Největší nevýhodou hydrofonů z optických vláken je velký teplotní efekt.