Technologické inovace ve vývoji podvodních akustických měničů(1)

Technologické inovace ve vývoji podvodních akustických měničů

 

 

70,8 % zemského povrchu tvoří oceán. Obrovský oceán je největší pokladnicí zdrojů na zemi a oceán je také důležitým místem pro mezinárodní vojenské boje. Výzkum, vývoj a využití oceánu jsou neoddělitelné od zvukových vln. Zvukové vlny jsou jediným nosičem informací, který může v oceánu cestovat na velké vzdálenosti. průzkum a rozvoj mořských zdrojů, podvodní komunikační převodník a navigace lodí, detekce a rozpoznávání podvodních cílů, monitorování životního prostředí a předpovídání přírodních katastrof a tak dále, to vše závisí na podvodní akustické technologii. Vývoj podvodní akustické technologie vyžaduje podporu všech druhů podvodních akustických měničů. Posláním podvodních akustických měničů je vysílat a přijímat zvukové vlny pod vodou, proto se tomu říká 'oči a uši podvodního akustického zařízení', o kterých lze říci, že jde o podvodní akustické měniče. Zrození 'H' znamená začátek rozvoje hydroakustické technologie. Technický pokrok hydroakustických měničů je důležitým předpokladem a základem pro rychlý rozvoj hydroakustické technologie(1)

 

The podvodní akustický měnič není jednoduchý izolovaný předmět, ale multidisciplinární technický obor. Mezi úzce související předměty patří především: fyzika, nauka o materiálech, matematika, mechanika, elektronika, chemie, mechanická věda atd., takže podvodní akustika Přestože má měnič teprve více než stoletou historii vývoje, stal se nyní živým oborem. Naléhavá potřeba z oblasti hydroakustické techniky je přímou hnací silou pro vývoj hydroakustických měničů a vývoj funkčních materiálů a technologický pokrok jsou nejdůležitější materiálovou základnou pro vývoj hydroakustických měničů. V průběhu historie vývoje hydroakustických měničů, aby v co největší míře vyhovovaly stále se zvyšujícím technickým požadavkům v oblasti hydroakustiky, jsou odpovídající funkční materiály neustále aktualizovány. Lidé provedli speciální aplikační výzkum týkající se charakteristik různých funkčních materiálů a navrhli nové technologie a byly navrženy nové struktury, které zlepšily a zlepšily komplexní technickou výkonnost převodníku, což umožnilo nekonečný proud inovativních výsledků výzkumu na převodníku. Autor vybírá některé typické příklady výzkumu startovacích měničů, analyzuje a shrnuje inovativní myšlenky těchto výzkumných prací z několika různých úhlů a doufá, že mladým vědcům poskytne určité vedení a osvícení a aktivně prozkoumá hluboké aspekty klasické výzkumné práce.

 

1. Technická inovace podvodního akustického měniče na bázi funkčních materiálů

 

V roce 1915 Paul Langevin z Francie a další použili kondenzátorový vysílač a přijímač uhlíkových částic k provádění podvodních akustických experimentů. Tato dvě vysílací a přijímací zařízení by měla být primitivní podvodní akustické měniče; 1917 ～ 1918 Langevin Zhiwan navrhl a vylepšil quartzový měnič. Jeho vibrátor se skládá z několika piezoelektrických křemenných desek vložených mezi dvě silné ocelové desky. Tato struktura se nazývá Langzhiwanův převodník. Protože přírodní křemen nemůže uspokojit stále se zvyšující poptávku, bylo zjištěno, že ve vodě rozpustný syntetický piezoelektrický krystal Rochellova sůl má silnější piezoelektrický efekt než křemen, ale jeho problém se stabilitou omezuje rozsah použití a piezoelektřina je mírně horší. Krystaly dihydrogenfosforečnanu amonného (ADP) byly díky svým relativně stabilním vlastnostem široce používány ve druhé světové válce. V roce 1920 byl magnetostrikční efekt aplikován v podvodních akustických měničích; v roce 1925 byly navrženy a použity niklové magnetostrikční měniče; v roce 1931 vedly hloubkové studie tenkých niklových plechů k rychlému vývoji magnetostrikčních měničů. A postupně nahradil piezoelektrické krystalové měniče; v roce 1944 bylo zjištěno, že keramika s titaničitanem barnatým má po polarizaci silnou piezoelektřinu a její ztráta je mnohem menší než u magnetostrikčních materiálů. Později, baryum titanát piezoelektrické keramické měniče To se rychle vyvíjelo; polarizovaná olova zirkonát titanátová keramika (PZT) objevená v roce 1954 má silnější piezoelektriku. Piezoelektrická keramika PZT je dodnes hlavním funkčním materiálem podvodních akustických měničů.

 

V 70. letech 20. století Dr. Clark AE ve Spojených státech vyvinul obří magnetostrikční ternární slitinu vzácných zemin Terfenol-D. Od 90. let 20. století byly jeden po druhém objevovány relaxační feroelektrické monokrystalické materiály PZN-PT a PMN s vysokonapěťovými elektrickými vlastnostmi a vysokou hustotou energie -PT a byly učiněny nové průlomy v aplikačním výzkumu těchto tří materiálů. Tato část se zaměří na výsledky výzkumu těchto nových měničů funkčních materiálů.

 

⒈Nová generace magnetostrikčních materiálů a jejich měničů

Nová generace magnetostrikčních materiálů zahrnuje materiály ze slitin vzácných zemin a materiály ze slitin vzácných kovů. Obří magnetostrikční efekt materiálů slitin vzácných zemin byl poprvé objeven za podmínek nízké teploty. Nejvyšší magnetostrikční napětí materiálu Tb0.6Dy0.4 při 77K je 0,65% a nejvyšší magnetostrikční napětí Terfenol-D při pokojové teplotě je 0,25%. Existují dokumenty ukazující, že byl vyvinut magnetostrikční dvoupístový podélný měnič poháněný supravodivou cívkou. Magnetostrikční tyč ze slitiny vzácných zemin (terbium-dysprosium) je umístěna v klimatizační místnosti (teplota 50-60K) a chladicí věž je cirkulována a chlazena chladicí věží chladničky. V místnosti cívka ze supravodivého materiálu poskytuje stejnosměrné předpětí magnetické pole a excitační magnetické pole pro vybuzení magnetostrikční tyče, aby se vytvořila natahovací vibrace a přenesla se na vyzařovací povrch pístového typu přes mechanický přechodový kus. Vyzařující povrch pístového typu tlačí vodní médium k vytváření tlakových vln pro záření. 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 je 430 Hz, maximální úroveň zdroje zvuku je 181,4 dB a účinnost je asi 25 %. Tento podvodní hydrofonový měnič komplikuje výrobní proces, aby bylo dosaženo pracovních podmínek při nízkých teplotách. V posledních letech jsou lidé ochotni používat materiál Terfenol-D, který pracuje při pokojové teplotě, aby se zjednodušil výrobní proces a zároveň dosáhlo vynikající radiační účinnosti s novou strukturou.

 

Jedná se o osmihranný vysílač vysílače Terfenol-D, dokončený Butlerem v roce 1980. 16 tyčí vzácných zemin je uspořádáno ve dvou vrstvách a 8 tyčí vzácných zemin v každé vrstvě je spojeno do osmiúhelníku přes klínovitý přechodový blok a tvoří uzavřený magnetický obvod, přechodový blok je spojen s vyzařovacím povrchem části tyče, předpětí vzácné zeminy je předpětí 45° přes střed válce vysokopevnostní napěťové dráty mezi přechodovými bloky. Vnitřní předpětí tyče ze vzácných zemin je asi 13,8 MPa a rezonanční frekvence snímače ve vodě Při 775 Hz bylo porovnáno nelineární řízení za podmínek stejnosměrného zkreslení magnetického pole a podmínek nezaujatého pole a hladina zdroje zvuku 189,8 dB za podmínek stejnosměrného zkreslení magnetického pole a 196,2 dB nelineární v tomto pořadí.