Pokrok ve výzkumu a vývojové příležitosti technologie podvodních akustických měničů

Akustické vlny jsou považovány za jediný nosič informací, který může v oceánu cestovat na velké vzdálenosti. Mořský výzkum, rozvoj zdrojů a námořní vojenské boje jsou neoddělitelné od podvodní akustické technologie. Vývoj hydroakustické technologie vyžaduje různé typy hydroakustických měničů, které poskytují podporu, a posláním hydroakustických měničů je vysílat a přijímat zvukové vlny pod vodou, takže hydroakustické měniče jsou známé jako „oči a uši hydroakustického zařízení. Vývoj hydroakustických měničů zahrnuje především aplikaci nových materiálů, zavádění nových technických postupů a navrhování nových konstrukcí. Naléhavým požadavkem z oblasti hydroakustické technologie je přímý vývoj hydroakustických měničů Tento článek se zaměřuje na výsledky domácího výzkumu podvodních akustických měničů v posledních 20 letech, zejména včetně nového vývoje v oblasti nízkofrekvenčních měničů, vysokofrekvenčních širokopásmových měničů, hlubinných měničů a stručně pojednává o výzvách vývoje v oblasti vektorových technologií a technologiích v jednotlivých zemích a vývojové příležitosti, kterým čelí současná technologie podvodních akustických měničů.

 

The podvodní akustický měnič je typ snímače, který realizuje konverzi zvuku a jiných forem energie nebo informací ve vodním prostředí; podvodní akustický měnič je předním zařízením sonarového systému a je to také interakce mezi sonarovým systémem a vodním prostředím za účelem výměny informací. window'. Oblast výzkumu a vývoje technologie podvodních akustických měničů zahrnuje integraci více oborů a mezi úzce související obory patří především: fyzika, nauka o materiálech, matematika, mechanika, elektronika, chemie, mechanika atd., takže vývoj podvodních akustických měničů Úzce souvisí s úspěchy ostatních základních oborů a zároveň je omezen vývojem jednotlivých desetiletí vývoje různých oborů mé země. hydroakustické měniče, největší motivace rozvoje pochází z aplikačních požadavků v oblasti hydroakustické technologie, ale až do konce 20. století vývoj hydroakustické měničové technologie v mé zemi postrádal celkový a systematický charakter.

 

1.1 Průběh výzkumu nízkofrekvenčních měničů

V reakci na naléhavé potřeby přenosu podvodních informací s ultra dlouhým dosahem a na vývoj ultrastealth detekce ponorek se nízkofrekvenční vysílací snímače staly od 21. století jedním z nejvíce znepokojených hotspotů v oblasti podvodních akustických snímačů. Pracovní frekvenční pásmo zahraničních detekčních a komunikačních sonarů s ultra dlouhým dosahem bylo sníženo na přibližně 100 Hz. Nízkofrekvenční měniče zahrnují mnoho teoretických a technických problémů, které nejsou v současné době dobře vyřešeny, a tento aspekt bude i nadále středem zájmu výzkumu a v budoucím vývoji. V této části jsou vybrány výzkumné práce ohybových vibračních nízkofrekvenčních měničů a ohybových tahových měničů a shrnují nové technologické úspěchy.

 

1.1.1 Nízkofrekvenční měnič ohybových vibrací

Prvním technickým problémem, kterému čelí vývoj nízkofrekvenčních podvodních snímačů, je geometrická velikost. Obecně platí, že pracovní frekvence rezonančních měničů je nepřímo úměrná geometrické velikosti. To znamená, že čím nižší je frekvence měniče, tím větší bude geometrická velikost. Vibrace mohou účinně snížit geometrickou velikost nízkofrekvenčních měničů. Nové konstrukce nízkofrekvenčních měničů ohybových vibrací v Číně v posledních 20 letech zahrnují hlavně měniče se zakřiveným paprskem a měniče se zakřiveným kotoučem.

 

(1) Snímač ohybového paprsku. Navrhněte válcový vysílač širokopásmového vysílače s konzolovým paprskem (obrázek 1a). Konstrukce konstrukce kombinuje vlastnosti nízké modální frekvence ohybových vibrací a metodu multimodální vibrační vazby pro rozšíření frekvenčního pásma. Chai Yong a kol. Je navržen prstencový snímač spojky trubka-nosník (obrázek 1b). Přidáním zakřiveného paprsku do vloženého prstencového měniče pro vytvoření spojovací struktury trubka-nosník se zvýší efektivní pracovní režim. Pro dosažení nízkofrekvenčních a širokopásmových provozních charakteristik použijte vícerežimovou vazbu. Přepadová konstrukce je převzata a její schopnost odolat hydrostatickému tlaku byla ověřena skutečnou aplikací standardu 3 000 m hlubokomořské ponory. Xu a kol. navrhl dvě konstrukční schémata válcové nízkofrekvenční měniče (obrázek 1c a d), provedly řadu simulací a poskytly křivky emisní odezvy řízené novými magnetostrikčními materiály Terfenol-D a Galfenol. Demonstruje potenciál struktury měniče pro ultranízkofrekvenční aplikace.

Obrázek 1 Nová konstrukce nízkofrekvenčního měniče pro zakřivený nosník (a), 0 je pevný nosník a 1-5 jsou válcové nosníky s různými tloušťkami

(3) Ohnutý diskový měnič. Zakřivený diskový měnič obsahuje třívrstvé, dvouvrstvé struktury a tak dále. Obrázek 2a znázorňuje kompaktní zakřivený kotoučový měnič složený z dvojice dvojitých lamel. Zahraniční výzkumná práce je poměrně vyspělá. Provádí se hloubkový výzkum této základní struktury měniče se zakřiveným diskem. Na základě této základní struktury, navržením kapalinové komory a zlepšením jízdního režimu byly vytvořeny některé nové konstrukce]. Obrázek 2b je zakřivený kotoučový měnič poháněný mozaikovým prstencem. Návrh na obrázku 2c používá zakřivené diskové měniče různých velikostí k vytvoření matice a používá různé způsoby řízení k dosažení širokopásmového provozu. Obrázek 2d je zakřivený kotoučový měnič se strukturou přepadové dutiny. Velikost kapalinové dutiny je v návrhu vhodně upravena tak, aby splňovala požadavky na akustický výkon. Jedná se o zakřivený diskový měnič poháněný galfenolem, který využívá strukturu podobnou podélnému měniči k vybuzení ohybových vibrací předního vyzařujícího 

Obrázek 2 Nová konstrukce nízkofrekvenčního měniče se zakřiveným kotoučem

1.1.2 Ohebný tahový měnič

Koncepce flextenzního měniče začala Hayesovým patentem v roce 1936. Základní pracovní režim spočívá v tom, že jeden nebo více teleskopických vibrátorů pohání ohybový vibrační plášť a vytváří nízkofrekvenční zvukové záření. Výzkum a aplikace flextenzních měničů v mé zemi jsou aktivní od konce 20. století. Výzkumníci navrhli flextenzní měniče s různými strukturami. Podle struktury a způsobu buzení se flextenzní měniče dělí do tří kategorií. Tato klasifikační metoda je zde použita k samostatnému představení.

 

(2) Snímač napětí v ohybu s válcovou konstrukcí. Tento typ měniče je poháněn podélným teleskopickým vibrátorem, který přenáší ohybovou vibrační skořepinu. Vibrační plášť měniče je translační konstrukce, to znamená válcový plášť různých tvarů, který je poháněn jedním nebo více podélnými teleskopickými vibrátory. Včetně flextenzního měniče IV typu a jeho deformační struktury, ohybového tenzního měniče typu VII, čtyřstranného ohybového tahového měniče atd. Obrázek 3a je typická struktura flextenzního měniče IV typu. Byl vyvinut flextenzní měnič IV typu poháněný relaxorovým feroelektrickým monokrystalickým materiálem PMNT. Byl vyvinut flextenzní měnič IV typu poháněný obřím magnetostrikčním materiálem ze vzácných zemin Terfenol-D. Obrázek 3b je nový design flextenzního měniče typu VII, který je poháněn obřím magnetostrikčním materiálem vzácných zemin Terfenol-D. Metoda buzení je navržena v nejširší části příčného rozměru a dvojice paralelních vibrátorů je navržena tak, aby poskytla hloubkový pohled na tento typ převodníku. Série výzkumů zahrnuje analýzu návrhu předpětí, teoretické modelování, modální analýzu, experimentální výzkum atd. Obrázek 3c je vylepšený nový design flextenzního měniče typu IV, který je podobný konstrukčnímu vylepšení flextenzního měniče typu I k ohybovému tenznímu měniči typu II, s použitím eliptické skořepinové struktury s prodlouženým transdukčním dlouhým krystalovým materiálem nebo NT, NT, feroelektrický krystalový materiál je PM, který má lepší širokopásmové provozní vlastnosti než obecný flextenzní měnič typu IV. Obrázek 3d je nejranější nový design ke zlepšení flextenzního převodníku typu IV v Číně – flextenzní převodník typu rybí rty, který používá eliptickou skořepinu s proměnnou výškou a využívá supermagnetostrikční materiál ze vzácných zemin Terfenol-D drive, tato vibrační skořepina speciálního tvaru má efekt pákového ramene a vysoce vyvážený efekt dvojitého zesílení. V současné době byl Terfenol-D flextenzní snímač rybího rtu sériově zpracován a navržen do dvouplášťové struktury pro další zvýšení vysílacího výkonu. Maximální akustický výkon jednoho měniče může dosáhnout 10 000 wattů, což z něj činí domácí nízkofrekvenční vysokovýkonný vysílací měnič Jeden ze základních typů. Obrázek 3e je ortogonální excitační čtyřstranný ohebný tahový měnič, který využívá vylepšení kompaktního designu, které může přidat více funkčních materiálů v omezeném objemu a zlepšit úroveň zdroje zvuku. Obrázek 3f je další vylepšená nová konstrukce ohebného měniče typu IV, podobná konstrukčnímu vylepšení ohebného měniče typu I s ohebným měničem typu III, který používá dva eliptické pláště v sérii podél směru dlouhé osy Celkově je k buzení použit delší piezoelektrický svazek, takže rezonanční frekvence podélného vibrátoru, která se blíží základnímu kmitání vibrátoru, je snížena. k modálnímu spojení pro dosažení širokopásmových provozních charakteristik. Obrázek 3g je vylepšená nová konstrukce budícího vibrátoru flextenzního měniče IV typu. Jedná se o flextenzní měnič typu IV poháněný skládacím vibrátorem. Tato struktura v kombinaci s materiálem pouzdra s nízkou tuhostí může účinně snížit rezonanční frekvenci.

Obrázek 3 Snímač napětí v ohybu se sloupovou konstrukcí

Je také známý jako flextenzní snímač tykve. Je studován flextenzní měnič tykve poháněný PZT a PZT+Terfenol-D. , Je provedena simulační analýza emisních charakteristických parametrů společného buzení. Obrázek 4c je konkávní trubicový ohebný měnič napětí buzený kombinací magnetostrikce a piezoelektrika. V konstrukci jsou použity dva budicí prvky Terfenol-D a PZT pro vytvoření kompozitního podélného vibrátoru. Obrázek 4d ukazuje konkávní válcový ohebný tahový měnič. Je buzen multi-piezoelektrickým svazkem. Za předpokladu, že skořepina zůstane nezměněna a celkový objem piezoelektrického keramického materiálu je stejný, analýza různých čísel (1-4) piezoelektrických pohonů sloupce Pro dopad na výkon měniče byl navržen a vyvinut konkávní trubkový měnič ohybu-napětí buzený trojitým piezoelektrickým blokem.

Obrázek 4 Snímač ohybu-tahu s rotačním tělesem dlouhého typu

Snímač ohybu a napětí plochého rotačního těla. Tento typ měniče je poháněn radiálně expandujícím vibrátorem pro pohon rotačně symetrického ohybového vibračního pláště. Vibrační plášť měniče je rotačně symetrická struktura, obecně pár konvexních nebo konkávních kulových čepiček (nebo kulových čepiček) nebo je složen z disku atd., poháněného radiálně se rozšiřujícím prstencovým nebo kotoučovým vibrátorem, včetně měniče ohebného napětí ve tvaru V, měniče ohybu a napětí ve tvaru VI, měniče ve tvaru disku, zde zavedené flexní velikosti malého napětí, V. napětí atd. převodník - činelový a diskový ohebný převodník . Obrázek 5a je flextenzní měnič ve tvaru V malé velikosti. Dvojice kovových koncových uzávěrů je poháněna piezoelektrickým keramickým kotoučem, který radiálně vibruje a vytváří ohybové vibrace; Obrázek 5b je diskový flextenzní měnič, který v konstrukci používá PZT-. 4 Radiálně polarizovaný piezoelektrický keramický kroužek pohání zakřivený kotouč. Kotouč je rozdělen na 16 stejných sektorů podél radiální štěrbiny, aby se snížilo spojení bočních vibrací. Flextenzní měniče těchto dvou konstrukčních forem mají charakteristiky nízké rezonanční frekvence, malých geometrických rozměrů a vysoké elektroakustické účinnosti.

Obrázek 5 Snímač ohybu a napětí plochého rotačního tělesa

1.2 Pokrok ve výzkumu vysokofrekvenčních širokopásmových převodníků

Kromě detekční vzdálenosti jako důležitého ukazatele podvodního akustického vybavení je dalším vývojovým směrem získání maximálního množství informací o cíli jako hlavního účelu. Například obrazový sonar s vysokým rozlišením, podvodní akustická komunikace s vysokou přenosovou rychlostí atd. Vyžaduje provoz ve vysokofrekvenčním režimu a pracovní frekvenční pásmo je co nejširší. Proto se vysokofrekvenční širokopásmový podvodní akustický měnič stal klíčovou součástí systému, podobně jako optika. Čočka zobrazovacího systému je stejná.

 

Obrázek 6a je a vysokofrekvenční širokopásmový měnič s piezoelektrickým keramickým sloupcem a odpovídající vrstvou. Studuje se poměr piezoelektrické keramické rozteče k velikosti keramiky a vliv výplňových materiálů na šířku pásma. Vysokofrekvenční širokopásmový měnič s dvojitou lícující vrstvou navržený na obrázku 6b využívá piezoelektrické keramické sloupce k vytvoření pole a poté přidává strukturu dvojité lícující vrstvy z kovové vrstvy a pryskyřičného kompozitního materiálu pro dosažení vysokofrekvenčního širokopásmového akustického vyzařování. Obrázek 6c ukazuje navržený 1-1-3 piezoelektrický kompozitní vysokofrekvenční širokopásmový měnič, který se skládá z jednorozměrných spojených piezoelektrických sloupků a jednorozměrných spojených kovových sloupků uspořádaných paralelně v trojrozměrné spojené polymerní matrici. Je vytvořen třífázový piezoelektrický kompozitní materiál a byl vyvinut vysokofrekvenční širokopásmový vysílací měnič. Obrázek 6d ukazuje navržený 1-3 piezoelektrický kompozitní vysokofrekvenční širokopásmový měnič, který využívá vazebný efekt režimu tloušťkové vibrace a režimu příčných vibrací prvního řádu k realizaci širokopásmových provozních charakteristik. Obrázek 6e ukazuje navržený piezoelektrický kompozitní prstencový vysokofrekvenční širokopásmový měnič. Piezoelektrický kompozitní prstenec se získá radiálním řezáním piezoelektrického keramického prstence a nalitím epoxidové pryskyřice. Poté se získají dva piezoelektrické kompozitní prstence s různou tloušťkou stěny. Kompozitní prstenec je navrstven tak, aby vytvořil radiálně vyzařovaný duální rezonanční měnič.

 

Obrázek 6 Vysokofrekvenční širokopásmový převodník