Technologické inovace ve vývoji podvodních akustických měničů(2)

     Technologické inovace ve vývoji podvodních akustických měničů(2)

Slitina železa a galia (Galfenol) je nový typ magnetostrikčního materiálu, který se objevil v posledních letech. Jeho magnetostrikční napětí je mezi niklem a Terfenolem-D, při 300 ppm (ppm je mikroproměnná, představující ΔL/L=10-6) Ve srovnání s Terfenolem-D má výhody vyšší relativní permeability (>100), dobré obrobitelnosti, vysoké teplotní stability a vysoké pevnosti v tahu. Vzhledem k tomu, že materiál slitiny železa a galia má dobrý výkon při obrábění a vysokou mechanickou pevnost, lze jej použít k návrhu a zpracování pouzdra flextenzního měniče. Obrázek 2b je příklad výzkumu konkávního válcového ohebného tahového měniče s pouzdrem ze slitiny železa a galia. The Podvodní akustický měnič je poháněn Vibrátor se skládá z prvků ze slitiny železa a galia Φ20 mm × 40 mm a desek s permanentními magnety neodym-železo-bor a tvoří uzavřený magnetický obvod s vyzařovacím pláštěm. Experimentální výsledky ukazují, že odezva emisního proudu měniče je 168,4dB (rezonanční frekvence 1750Hz), což je lepší než dural o stejné geometrické velikosti. Pouzdro měniče (rezonanční frekvence 1900 Hz) je vylepšeno o téměř 5 dB, což odráží konstrukční výhody aktivního pouzdra.

 

V roce 2000 byly publikovány výsledky výzkumu širokopásmového podélného měniče buzení magnetostrikčně-piezoelektrického kloubu. Podélný měnič je společně poháněn jednotkou Terfenol-D a PZT stackem, který realizuje širokopásmový provoz duální rezonanční špičkové vazby 1,8 kHz a 3,5 kHz. Charakteristiky, literatura také uvádí, že u 4×4 vysoce výkonného planárního pole složeného z tohoto typu měniče je úroveň zdroje zvuku pole větší než 225 dB ve frekvenčním pásmu 1,5-6 kHz.

 

Vícejednotkový pohonný podélný měnič Terfenol-D, autor důmyslně navrhl pohonnou jednotku, její konstrukce využívá pouzdro s permanentním magnetem pro aplikaci zkreslení magnetického pole k oddělení statického magnetického pole od dynamického magnetického obvodu a dynamického magnetického Prvky permanentních magnetů s nízkou permeabilitou jsou na vozovce vyloučeny a je zvýšen účinek energie magnetického pole; je fyzické schéma pohonné jednotky. 4 jsou takové pohonné jednotky mechanicky zapojeny do série, aby tvořily nízkofrekvenční podélnou náhradu předního krytu a ocasní hmoty. Energetické zařízení, centrální šroub je předpjatý; Obr. 3c je skutečný obrázek měniče po zabalení, rezonanční frekvence měniče je 1,6 kHz a úroveň zdroje zvuku je 177 bB.

 

Konstrukce magnetického obvodu magnetostrikčního měniče je velmi důležitá. Butler vzal jako příklad konkávní válcový flextenzní měnič a porovnal pracovní účinky šesti schémat magnetických obvodů pomocí analýzy konečných prvků. Struktury magnetických obvodů na obr. 4a-f jsou v tomto pořadí .spojitá tyč ze vzácných zemin plus magnetický propustný koncový kryt příslušenství z čistého železa a pouzdro, souvislá tyč ze vzácných zemin plus koncový kryt příslušenství propustný z čistého železa, souvislá tyč ze vzácných zemin bez příslušenství propustného pro čisté železo, kombinace tyče ze vzácných zemin a kusu permanentního magnetu plus čistého železa propustného koncový kryt a pouzdro nástavce, kombinace tyče ze vzácných zemin a kus permeabilního magnetu z čistého železa a kombinace tyče ze vzácných zemin a kusu permeabilního magnetu z čistého železa, kombinace magnetického permeabilního magnetu z čistého železa příslušenství jsou efektivní elektromechanické vazební koeficienty vypočteny na 0,33, 0,30, 0,27, v tomto pořadí, 0,23, 0,21 a 0,20, což ukazuje, že efektivní elektromechanický vazebný koeficient vibrátoru ze vzácných zemin se změnil z kontinuální tyče ze vzácných zemin na tyč ze vzácných zemin kombinovanou s plechem s permanentním magnetem. Koncové uzávěry a pouzdra magnetického permeabilního příslušenství z čistého železa mají určitý vliv na zlepšení elektromechanického vazebného výkonu vibrátoru vzácných zemin, ale u hnacích materiálů s nízkou relativní permeabilitou, jako je Terfenol-D, je zlepšení malé a efektivní elektromechanický vazebný koeficient je určen 0,20 až 0,23 nebo 0,27 až 0,33.

 

 

2. Nová generace piezoelektrických materiálů a jejich měničů

Až do první poloviny 20. století byly všechny piezoelektrické materiály monokrystaly. Polykrystalický piezoelektrický keramický titaničitan barnatý byl poprvé objeven v 50. letech 20. století, následovaný zirkoničitanem olovnatým titanátem (PZT) v 60. letech 20. století. Výkon této piezoelektrické keramiky daleko převyšuje výkon raných monokrystalů a PZT se od té doby stal hlavním funkčním materiálem podvodních akustických měničů.

V polovině 90. let byly objeveny nový piezoelektrický monokrystal olovnatý niobitan olova a titaničitan olovnatý (PMN-PT) a niobitan olovnatý a niobitan olovnatý (PZN-PT), tyto dva piezoelektrické monokrystalové materiály mají velmi vysoké nasycení (více než 1 %), nízkou ztrátu a vysoký koeficient piezoelektrické vazby (větší než 0). podvodní akustický měnič. V posledních letech vznikl piezoelektrický monokrystalový materiál ternární olovo-niobát-olovo-hořčík-niobát-titanát olova (PIN-PMN-PT) a manganem dopovaný olovo-indium-niobát-olovo-hořčík-niobát-titanát olova (Mn: PIN-PMN-PT), který dále zlepšuje pracovní vlastnosti za podmínek vysokého elektrického pole.

Aplikace piezoelektrických monokrystalických materiálů jako je PMN-PT v oblasti podvodní akustiky začala návrhem a vývojem podélných měničů. Meyer a další provedli řadu výzkumných prací, včetně podrobné analýzy 33-módových a 32-módových podélných převodníků PMN-PT a srovnávací studie s PZT-8. Obrázek 5a je podélný měnič s 33 režimy poháněný sestavou 10 destiček PZT-8, obrázek 5b je podélný snímač s 33 režimy poháněný sestavou 3 destiček PMN-PT a obrázek 5c je 4 PMN-PT Dlouhé pásy tvoří podélný snímač ve tvaru 'ústa' 32. Výsledky ukazují, že když se PMN-PT a PZT-8 použijí k výrobě podélných měničů se stejnou frekvencí a úrovní zdroje emisí a dalšími parametry, krystal PMN-PT Délka zásobníku je pouze asi 30 % PZT-8, což ukazuje technické výhody piezoelektrických monokrystalických materiálů pro výrobu malých měničů; režim 32 umožňuje řezání monokrystalických materiálů podle nejlepší orientace výkonu a současně použití kombinace dlouhých pásů Může se vyhnout technickým problémům, jako je pěstování velkých jednotlivých waferů, zlepšit spolehlivost a konzistenci převodníku a má zjevné výhody pro středně a vysokofrekvenční aplikace lehkého sonarového pole.

Monokrystal se vyvinul a válcový vysílací měnič složený z vložených kroužků. Každý kroužek se skládá z 12 klínovitých pásků a 9 kroužků je pevně spojeno v axiálním směru do válce. Geometrický rozměr (Φ20,3 mm × 66 mm) Je výrazně menší než piezoelektrický keramický měnič stejné frekvence a realizuje širokopásmové pracovní charakteristiky více než 2,5 oktávy. Jiný dokument používá monokrystal PMN-PT k vývoji konkávního válcového flextenzního měniče. Hnací vibrátor převodníku se skládá ze sady 16 axiálně polarizovaných prvků Φ28 mm × 10 mm × 4,8 mm a vibračního pláště z titanové slitiny. Emisní napěťová odezva je zlepšena o více než 5 dB ve srovnání se stejnou strukturou měniče z materiálu PZT-4.

Teplota trigonálně-tetragonálního fázového přechodu monokrystalu PMN-PT je relativně nízká, což do určité míry omezuje jeho aplikační rozsah, zejména pro aplikace za podmínek vysokého výkonu. Ternární niobičnan olovnatý a niobičnan hořečnatý a titaničitan olovnatý (PIN-PMN-PT) a monokrystal dopovaný manganem (Mn: PIN-PMN-PT) činí teplotu fázového přechodu feroelektrického monokrystalu relaxoru zjevnou Zvýšením a výrazným snížením ztrátového faktoru současně: teplota fázového přechodu se sníží z 95 °C na 125,6 °C, ztrátový faktor je snížen a ztrátový faktor je pouze 1/2 obvyklé piezoelektrické keramiky PZT-4. Existuje také literatura používající tyto dva nové monokrystaly vzorce, PMN-PT a PZT-4 k výrobě podélných měničů a porovnání jejich výkonových provozních charakteristik, což dokazuje, že nový monokrystalový materiál vzorce je vhodnější pro podmínky vysokého výkonu a velkého pracovního cyklu. Úroveň zdroje zvuku převodníku PMN-PT je o 5 dB vyšší než u převodníku PMN-PT při rezonanční frekvenci. Ve srovnání s piezoelektrickou keramikou PZT-4 jsou úroveň zdroje zvuku a výkonová kapacita na rezonanční frekvenci v zásadě ekvivalentní a pracovní šířka pásma se zvýšila 1krát a maximální úroveň zdroje zvuku mimo rezonanční frekvenci se zvýšila asi o 6 dB.

 

Aplikační výzkum monokrystalového materiálu PMN-PT se převážně zaměřuje na lékařský vysokofrekvenční ultrazvukový zobrazovací systém. Zde je pouze jeden případ výzkumu aplikace hydroakustického snímače Cymbal, který používá prvek PMN-PT Φ12,7 mm × 1 mm k pohonu titanu o tloušťce 0,25 mm Slitinový ohybový vibrační kryt vyvinul malý snímač ohybového napětí typu Cymbal, který má o 6 dB vyšší emisní napěťovou odezvu než PZT-4 se stejnou hnanou strukturou.

 

2. Technická inovace konstrukce a technologie podvodních akustických měničů

⒈Technická inovace pro zlepšení vlastností paprsku

V moderních sonarech se obecně používají různá základní pole pro dosažení požadovaných charakteristik paprsku. Pokud je však instalační otvor snímače omezený a existují zvláštní požadavky na charakteristiky paprsku, je třeba přijmout technická opatření pro řízení charakteristik paprsku snímače. Mezi hlavní technické přístupy ke zlepšení patří: aplikace ozvučnice, technologie modální superpozice využívající dipóly a multipóly atd. Tato část vybírá některé typické příklady výzkumu se zaměřením na analýzu a shrnutí použití metod modální superpozice ke zlepšení charakteristik paprsku snímače Technické úspěchy.

⑴Použití přepážky ke zlepšení vlastností paprsku snímače

V raném sonarovém systému se obecně používal nezávislý převodník. Když směrovost nemůže splnit požadavky, využívá se odraz přepážky k ovládání vysílacího paprsku, což zahrnuje především průchod plochou přepážkou, válcovou přepážkou a kulovou přepážkou. Desková a kuželová přepážka pro změnu směrovosti válcových převodníků, pístových převodníků, kulových převodníků atd., do určité míry vyhovují potřebám jednosměrného řízení vysílacího paprsku, jak je znázorněno na obrázku 6, použití dvojitých kuželů Reflexní přepážka upravuje směrovost magnetostrikčního toroidního převodníku a realizuje charakteristiku vyzařování jednostranného paprsku.

 

Existuje literatura, že 3kHz ohebný tahový měnič typu IV je umístěn v blízkosti ohniska parabolické reflektorové přepážky, takže ohybový tahový měnič typu IV s vlastní nesměrovostí může dosáhnout jednosměrných vyzařovacích charakteristik. Experimentem se získá úhel otevření v jednom úhlu 83°. Rozdíl mezi přední a zadní odezvou paprsku je 21 dB.

⑵ Modální kombinovaný směrový převodník

Různé strukturální měniče mají různé víceřádové vibrační režimy. Rezonanční měniče obecně pracují na základě vibračního režimu základní frekvence. Různé vibrační režimy budou odpovídat jejich efektivním metodám buzení, lze tedy použít kombinaci metod buzení Realizovat superpoziční řízení více vibračních režimů tak, aby bylo dosaženo účelu změny charakteristiky vysílacího paprsku. Mezi hlavní režimy, které mohou měnit charakteristiky paprsku snímače prostřednictvím kombinace, patří monopolní režim, dipólový režim a kvadrupólový režim atd. Tyto základní režimy mohou dosáhnout různých směrových vzorů prostřednictvím vážené kombinace. V této části, v kombinaci s konkrétními výsledky z literatury, je provedena stručná analýza a shrnutí technologie zpracování a metod buzení různých strukturálních měničů pro dosažení modální superpozice.

Práce s více režimy buzení obecně využívá metodu buzení s přepážkami, jako například: piezoelektrická keramická trubice nebo kulový plášť často používají metodu dělené elektrody, viz obrázek 7a, b; magnetostrikční polygonový ( prstencový) měnič využívá nezávislé okrajové buzení.

 

Butler a kol. navrhli a vyvinuli 'modální měnič', stále využívající konstrukční myšlenku přepážkového buzení, ale prolomení omezení dělení nezávislých komponent, využívajících 8 nezávislých 1/4 podélných vibrátorů pro sdílení ocasní hmoty, každý měnič Vyzařovací plocha je válcová oblouková plocha blízko 45° a společně uzavírají dělený a nezávisle poháněný měničový válec. Geometrický rozměr snímače není omezen procesními podmínkami nezávislých prvků a zároveň je převzat podélný směr předpjaté konstrukce. Vibrátor má technické výhody pro konstrukci nízkofrekvenčních a vysoce výkonných směrových vysílacích měničů. Obrázek 8 ukazuje základní modální tvary vibrací 'modálního převodníku'. Byly navrženy a vyvinuty modální měniče na bázi piezoelektrické keramiky PZT-8, monokrystal PMN-PT a obří magnetostrikční materiály Terfenol-D. Získal kardioidní směrový vysílací paprsek s indexem směrovosti 6 dB a rozdílem 25 dB v odezvě zepředu dozadu.

 

Je to další typ nízkofrekvenčního a vysoce výkonného směrového emisního měniče – zónově buzeného flextenzního měniče. V tomto návrhu je piezoelektrický svazek (nebo magnetostrikční vibrátor) měniče flexe-napětí vystaven zónovému buzení pomocí kombinace monopólových a dipólových režimů je superponována, aby se vytvořil kardioidní směrový emisní paprsek. Obrázek 9a je 900 Hz směrovost typu IV ohebný tahový měnič a obrázek 9b je 3 kHz směrovost typu VII flex tenzní měnič.

Literatura studuje širokopásmový vícevidový válcový měnič s přepážkou (zobrazeno na obrázku 10). Elektrody piezoelektrické keramické válcové trubice jsou rovnoměrně rozděleny do dvou skupin a nezávisle buzeny pro získání monopólu (režim 0) a dipólu (režim 1) a poté spolupracují s přepážkou pro realizaci jednostranné směrové emise. Výzkumná práce také využívá fázový vztah mezi módy k návrhu nezávislého výkonového zesilovače a ladicího obvodu, přes nízkofrekvenční '0+1' a vysokofrekvenční '0 + 1'. －1' Modální kombinované ovládání realizuje širokopásmové pracovní charakteristiky. Snímač využívá 4 piezoelektrické kulaté trubice PZT-4 o rozměrech Φ38,2 mm × 31,8 mm × 19 mm ve směru výšky a velikost po zabalení je Φ48 mm × 79 mm. Přepážka je vyrobena ze dvou kusů povrchového korku s polocylindrickým kaučukem o tloušťce. 6mm a odezva emisního napětí kolísá o 6dB ve frekvenčním pásmu 26-46kHz.

2.Technická inovace pro zlepšení frekvenčních charakteristik

S vícesměrným rozšířením aplikačního směru podvodní akustické technologie se neustále rozšiřoval pracovní frekvenční rozsah aktivních sonarových systémů. Mezi nimi byla pracovní frekvence obrazového sonaru s vysokým rozlišením zvýšena na 106 Hz a pracovní frekvenční pásmo sonaru pro detekci a komunikaci na ultra velkou vzdálenost je ještě nižší. pod 100 Hz; na druhé straně vývoj sonarového zpracování informací vyžaduje, aby pracovní frekvenční pásmo měniče bylo co nejširší. Nízkofrekvenční měniče a širokopásmové měniče proto v posledních letech přitahují velkou pozornost v oblasti podvodní akustiky a výsledky výzkumu jsou poměrně bohaté. Stále však existuje mnoho teoretických a technických problémů, které nebyly dobře vyřešeny. Tento aspekt bude i nadále hlavním výzkumným bodem a cílem budoucího vývoje. Tato část vybírá výzkumné práce ve směru nízkofrekvenčních převodníků a širokopásmových převodníků a analyzuje je a shrnuje. Inovativní nápady a nové technologické úspěchy.

⑴ Inovativní design nízkofrekvenčního měniče

①Nízkofrekvenční měnič ohybových vibrací

Prvním technickým problémem, kterému čelí vývoj nízkofrekvenčních měničů, 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 je geometrická velikost, jako je podélná konverze 500 Hz. Délka energetického zařízení je cca 3m. Ohybové vibrace mohou účinně zmenšit geometrickou velikost nízkofrekvenčních měničů. Mezi snímače, jejichž funkční zařízení se přímo podílejí na ohybové vibraci, patří především snímače ohybového paprsku, ohybové kotoučové snímače atd.

Obrázek 11a ukazuje typickou třívrstvou ohýbanou nosníkovou strukturu. Na horní a spodní stranu ohýbacího nosníku je nalepen kus piezoelektrického keramického pásku. Když se jeden z piezoelektrických keramických pásků natáhne a druhý se při vzrušení smrští, kovový paprsek uprostřed vytvoří ohybové vibrace. Tento druh přeměny energie Zařízení musí být vystaveno vodě na jedné straně, aby vyzařovalo zvukové vlny, takže obvykle několik zakřivených paprsků je spojeno do vzduchové dutiny, jak je znázorněno na obrázku 11b, každý vyzařující povrch vibruje ve fázi.

 

Podobný pracovní princip se nazývá zakřivený kotoučový měnič s kotoučovou strukturou, který rovněž zahrnuje třívrstvou a dvouvrstvou strukturu. Obrázek 11c znázorňuje kompaktní zakřivený kotoučový měnič složený z páru dvojitě laminovaných listů. (Bender). Analýza systému Delany zkoumala nízkofrekvenční, malé a výkonné provozní charakteristiky Bender.

Vývoj ohybových vibračních nízkofrekvenčních měničů zahrnuje také nový strukturně dělený toroidní měnič (zobrazeno na obrázku 12). Dělený toroidní snímač lze považovat za speciální snímač ohybového paprsku. Původní konstrukci navrhl Harris v roce 1957. Kompozitní prstencový nosník se skládal z vnitřního piezoelektrického keramického prstence a vnějšího kovového prstence. Modelování a analýza převodníku byla založena na 'modelu ladičky' znázorněném na obrázku 12b a hnací prvek byl upraven na dělenou konstrukci. Snímač s děleným prstencem může být navržen s větší velikostí a hmotnost může být nastavena prostřednictvím distribuce tloušťky - tuhosti, aby se dosáhlo optimalizace provozní frekvence a charakteristik vyzařování, jak je znázorněno na obrázku 12c.

 

②Převodník napětí v ohybu

Koncepce flextenzního měniče začala Hayesovým patentem v roce 1936. Poté, co Toulis v roce 1966 publikoval patent flextenzního měniče typu IV, začal být aktivní výzkum a aplikace flextenzního měniče, kterých je zatím více než polovina. Ve století historie vývoje se zrodily různé konstrukční formy flextenzních měničů a jejich pracovní principy a konstrukční procesy jsou plné inovativních designových nápadů. Nemůžeme je představit jeden po druhém v chronologickém pořadí jejich vývoje, pouze flextenzní měniče. Struktura a motivační metody společnosti jsou rozděleny do následujících tří kategorií, které jsou stručně analyzovány a shrnuty.

△Převodník napětí v ohybu s válcovou konstrukcí. Tento typ měniče je poháněn podélným teleskopickým vibrátorem pro přemísťování ohybového vibračního pláště, jak je znázorněno na obrázku 13. Vibrační plášť měniče je translační konstrukce, to znamená válcový povrch různých tvarů, poháněný jedním nebo více podélně teleskopickými vibrátory, a je ohebný tahový měnič typu IV, b je typ VII' ohybový-tahový převodník ' ohybový-tahový převodník poháněný ortogonálním piezoelektrickým svazkem a 'hvězdicovým' snímačem ohybového napětí poháněným čtyřstranným magnetostrikčním vibrátorem. Protože tento typ měniče lze snadno navrhnout jako dělený budicí vibrátor, směrový ohebný tahový měnič popsaný výše obecně volí tento typ konstrukce.

△Převodník napětí v ohybu s dlouhým otočným tělem. Tento typ měniče je poháněn podélným teleskopickým vibrátorem pro pohon rotačně symetrického ohybového vibračního pláště, jak je znázorněno na obrázku 14. Vibrační plášť měniče je rotačně symetrická konstrukce, zahrnující řadu sudových nosníků rozmístěných po obvodu, které jsou obecně poháněny podélně teleskopickým vibrátorem. Obrázky 14a a b jsou konvexní tvary struktury ohebného napínacího měniče typu I a konkávní struktury; jak je znázorněno na obrázku 14c, podélný budicí vibrátor měniče je prodloužen v axiálním směru, aby se zvětšil objem funkčního materiálu, aby se vyvinul do ohebného napínacího měniče typu II; jak je znázorněno na obrázku 14d, plášť ohybových vibrací je navržen ve formě dvou nebo více částí, je vyvinut do ohebného tahového měniče typu III. Flextenzní měniče typu II a typu III mají odpovídající konkávní struktury.

△Převodník napětí v ohybu s plochým rotačním tělem. Tento typ převodníku je poháněn radiálně expandujícím vibrátorem pro pohon rotačně symetrického ohybového vibračního pouzdra, jak je znázorněno na obrázku 15. Vibrační pouzdro převodníku je rotačně symetrická konstrukce, obecně pár konvexních nebo konkávních kulových korunek (nebo kulových korun), poháněných radiálně expandujícím kroužkem nebo vibrátorem typu diskového vibrátoru, Obrázek 15a ukazuje transdukční kroužek. flextenzní měnič typu V řízený plátkem, c je flextenzní měnič typu VI, dae jsou malé flextenzní měniče vyvinuté na základě struktury b Zařízení se nazývá Cymbal měnič.

△ Nízkofrekvenční měnič s dutinovou strukturou. Helmholtzův rezonátor je základní formou podvodního akustického měniče s dutinovou strukturou, jak je znázorněno na obrázku 16. a, b a c jsou tři základní struktury Helmholtzových rezonátorů, které využívají buzení piezoelektrickou keramickou trubicí, buzení ohybovým diskem a buzení piezoelektrickou keramickou kuličkou. Helmholtzovy rezonátory mají obecně úzké pracovní frekvenční pásmo a d se používá na základě b Dvojité pracovní plochy zakřiveného disku vybudí rezonanční dutiny různých objemů, aby se realizovala operace dvojité rezonance. Literatura vytvořila úplnější model analýzy Helmholtzova rezonátoru a analyzovala vztah mezi pracovními charakteristikami a strukturálními parametry 300HZ Helmholtzova rezonátoru. Morozov a kol. navrhl podvodní zdroj zvuku varhan (zobrazeno na obrázku 17). Konstrukce na obrázku 17a realizuje frekvenční ladění pohybem objímky pro změnu impedance rezonančního systému. Frekvence ladění se pohybuje od 225 do 325 Hz a účinnost je až 80 % nebo více, což odráží systém high-Q (faktor kvality) s charakteristikami vysoké účinnosti; Obrázek 17b Konstrukce využívá dvoutrubkovou konstrukci s vestavěným sférickým zdrojem zvuku pro dosažení dvoufrekvenční rezonance. Nízkofrekvenční rezonance je dutinová rezonance složená z dvoudílné objímky. Vysokofrekvenční rezonance je pouze rezonance odpovídající vnitřní rezonanční trubici. Vnější pouzdro a vnitřní rezonanční trubice mohou používat kovový hliník nebo nekovové materiály z uhlíkových vláken.

⑵ Inovativní design širokopásmového převodníku

V historii vývoje podvodní akustické technologie byly vyrobeny různé konstrukční formy podvodních akustických měničů, každý s pracovními charakteristikami určenými jeho konstrukčními charakteristikami. Aby se přizpůsobil inženýrským potřebám širokopásmových aplikací, téměř každý strukturální převodník se potýká s technickými problémy širokopásmového návrhu a zlepšování procesů. Mezi nimi je podélný měnič jednou z nejběžnějších konstrukčních forem měničů v oboru podvodní širokopásmový převodník . Výsledky výzkumu širokopásmového návrhu a aplikace jsou poměrně bohaté. Technické principy širokopásmového návrhu jiných konstrukčních převodníků jsou v zásadě podobné. Tato část se zaměřuje na řadu nových návrhových nápadů založených na podélných měničích pro dosažení širokopásmových charakteristik.

① Kombinovaný širokopásmový podélný snímač

Aplikace kombinace frekvenčních pásem již začala v rané fázi vývoje sonarové technologie. Raná práce byla vidět ve 40. letech 20. století. Tři magnetostrikční podélné měniče s různými rezonančními frekvencemi byly použity k pohonu pravoúhlé vyzařovací desky a šest měničů v žebříkovém uspořádání. Nezávislé rezonanční frekvence měniče, buzené společnou cívkou vinutí (zobrazeno na obrázku 18), jsou po kombinaci 21,5, 23 a 24,5 kHz, Q=12 a Q=4. Ačkoli tato metoda kombinace frekvenčního pásma není striktně širokopásmovým měničem, je stále široce používána v oblasti podvodní akustiky, zejména v akustických systémech, jako je simulace hluku a akustické návnady. Kombinace zařízení realizuje ultraširokopásmové emisní charakteristiky.

 

② Modální spojka širokopásmový podélný snímač

Obvykle se předpokládá, že přední kryt podélného snímače při analýze jednorozměrného modelu vibruje na způsob pístu, to znamená, že nedochází k žádné ohybové vibraci. Když je roh vyzařovacího povrchu snímače relativně široký, musí být doprovázen ohybovými vibracemi, což je rozumné Pomocí režimu ohybových vibrací předního krytu, který jej účinně spojí s režimem podélných vibrací, lze navrhnout širokopásmový podélný snímač. Literatura studovala vazebný účinek ohybových vibrací a podélných vibrací čtvercové vyzařovací krycí desky a navrhla širokopásmový měnič. V jiné literatuře je vibrační a ohýbací kotouč zapuštěn do radiačního krytu a ohýbací kotouč je spojen s vibračním režimem podélného měniče a širokopásmový měnič je navržen a vyvinut tak, jak je znázorněno na obrázku 19a. Piezoelektrický svazek podélného měniče může být navržen ve více skupinách. Jak je znázorněno na obrázku 19b, jedná se o základní strukturu měniče, která využívá duální buzení modální vazby k dosažení širokopásmového provozu. Butler je založen na konstrukci duálního budícího podélného měniče. Hloubkový vývoj, jako je použití magnetostrikčního a piezoelektrického hybridního dvojitého buzení pro návrh širokopásmového podélného měniče a předního krytu pro vložení vrstvy přizpůsobení 1/4 vlnové délky a návrh ultraširokopásmového podélného měniče s rezonančním režimem třetího řádu Zařízení, jak je znázorněno na obrázku 19c, má pracovní frekvenční pásmo 13 až 37 kHz.

③Širokopásmový podélný snímač spojený s kapalinovou dutinou

Typická konstrukce spojky mezi podélným snímačem a kapalinovou dutinou je Janus-Helmholtzův snímač (zobrazeno na obrázku 20). Podélný měnič využívá vyzařovací strukturu se dvěma konci, nazývanou Janus, s válcovou objímkou ​​navrženou tak, aby vytvořila Helmholtzovu rezonanční dutinu mezi Janusovými dvojitými vyzařovacími hlavami; obecný kapalinový dutinový rezonanční měnič má úzké pracovní frekvenční pásmo. Ve společné aplikaci Janus lze širokopásmový přenos realizovat prostřednictvím optimalizovaného návrhu modální vazby.

Gall navrhl dva převodníky Janus-Helmholtz, 300 Hz a 160 Hz, a do hloubky studoval vliv přidání vyhovující elektronky do Helmholtzovy rezonanční dutiny na širokopásmové provozní vlastnosti převodníku.

⒊Technická inovace pro zlepšení výkonu vydávaného zvuku

Přímým způsobem, jak zvýšit akustický výkon podvodního akustického měniče, je zvýšit hlasitost měniče, zvýšit počet a vytvořit těsně uzavřenou matrici. Nejúčinnější metodou je použití funkčních materiálů s vysokou energetickou hustotou. V předchozích kapitolách bylo vysvětleno použití funkčních materiálů s vysokou energetickou hustotou. Tato část se zaměřuje na technické inovace ve struktuře a procesu maloobjemových vysokovýkonových převodníků.

Při popisu výhod a nevýhod malých rozměrů a vysokých výkonových charakteristik snímače se k měření obecně používá objemové číslo, jmenovitě

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Vzorec ⑴ definuje činitel hlasitosti určitého typu měniče, kde: Wa je akustický výkon (W), V je objem měniče (m3), f0 je rezonanční frekvence (Hz), Q je činitel kvality, Faktor hlasitosti zařízení úzce souvisí s konstrukcí a funkčními materiály. Společnost Delany navrhla a vyvinula kompaktní zakřivený diskový měnič (Bender) a systematicky analyzovala a studovala pracovní charakteristiky Benderova nízkofrekvenčního, malorozměrového a vysoce výkonného provozu.

 

 

Existuje literatura navrhující převodník ohybového napětí s konkávní strukturou typu I (konkávní sudový typ) do kompaktnější kombinace, která umožňuje vícenásobným shlukům převodníků v omezeném objemu maximalizovat objemový posun a dosáhnout velkých výkonových charakteristik, jak je znázorněno na obrázku 21, vrchol 6 ohebných napínacích převodníků typu I jsou seskupeny dohromady, aby vytvořily 'tříbodový, ohebný a šestirozměrný' kompaktní převodník se šestirozměrnými charakteristikami. struktura, nízká frekvence, vysoký výkon a široké frekvenční pásmo: základní rezonanční frekvence Odezva vysílacího napětí při 1,15 kHz je 127 dB, všesměrová, a odezva vysílacího napětí od 800 Hz do 10 kHz je větší než 120 dB. Parametr FOMv není v literatuře uveden a očekává se, že bude ekvivalentní nebo vyšší než u flextenzního měniče ve tvaru hvězdy.

Výše uvedený návrh a analýza pro snahu o malé rozměry a vysoký výkon v zásadě vycházejí z elektrických a mechanických limitů a zohledňují pouze hustotu energie funkčních materiálů a limit vibrací konstrukce. Když převodník vyžaduje dlouhý pulz nebo nepřetržitý provoz, největším problémem za podmínek vysokého výkonu bude odvod tepla a tepla převodníku. V tomto okamžiku je tepelný limit hlavním faktorem omezujícím konečný výkon převodníku. Tepelný limit převodníku je jednou z důležitých základních otázek, které se ve strojírenství týkají. Stejně jako podrobnosti o procesu převodníku není mnoho veřejně hlášených výzkumných prací. Existuje literatura k modelování a analýze tepelných problémů nízkofrekvenčních a vysokovýkonových měničů a diskutování problémů tepelného vedení u Janus-Helmholtzových a flextenzních měničů typu IV. Když snímač pracuje v mělké vodě, zejména při nízké frekvenci a přenosu vysokého výkonu, bude zvýšení akustického výkonu také omezeno akustickým limitem kavitačního faktoru. Na tomto pozadí již není metoda zvyšování výkonu jednoho převodníku účinná. Základní pole bude také omezeno, takže existuje pouze jeden způsob, jak vytvořit řídké základní pole.

Proto je při navrhování nízkofrekvenčních a vysokovýkonových měničů nutné racionálně volit konstrukční formu a materiály budicí funkce s přihlédnutím k faktorům jako je elektrický limit, mechanický limit, tepelný limit a akustický limit a provést celkovou analýzu a komplexní optimalizaci. Mezi limitním výkonem a objemem převodníku je optimální poměr. Hloubkový výzkum tohoto bude v budoucnu jedním z technických směrů nízkofrekvenčních a vysokovýkonových měničů.

 

⒋Technologická inovace pro zvýšení odolnosti proti hydrostatickému tlaku

V současné době akademická obec navrhla rozvojové nápady, jako jsou průhledné oceány a informatizované oceány. Cílem je umožnit podvodním informačním technologiím pokrýt všechny kouty oceánu, včetně polárních oblastí a hlubinných příkopů. Proto předložili požadavky na použití podvodních akustických měničů ve větší hloubce. Dokonce zpochybnit schopnost pracovat v hlubokých mořích. Odolnost převodníku vůči hydrostatickému tlaku úzce souvisí se strukturou převodníku, zejména u nízkofrekvenčních emisních převodníků s nízkou konstrukční tuhostí. Řešení technologie hydrostatické tlakové odolnosti se stalo důležitým tématem v současné oblasti technologie převodníků. Současné účinné metody a prostředky k řešení pracovní hloubky zahrnují především plnění kapalinou, plnění vyhovující trubice kapalinou, přirozenou strukturální podporu, kompenzaci tlakové láhve s plynem, kompenzaci airbagu atd., v pracovních hloubkách nad 1000 m je jedinou účinnou technickou metodou technologie plnění kapaliny, včetně typu volného přepadu přímo používá mořskou vodu jako plnicí kapalinu nebo plní některá média s impedancí oleje k dosažení samostatické tlakové rovnováhy; do 1000 m lze tlakově odolnou poddajnou trubici použít v kapalinové dutině současně pro zlepšení poddajnosti kapalinové dutiny; Do 200 m může přirozená podpora konstrukce odolat hydrostatickému tlaku. Některé snímače s velmi nízkou strukturální tuhostí (jako jsou snímače s pohyblivou cívkou) mohou používat vysokotlaké vzduchové válce pro kompenzaci tlaku. Obecně lze kompenzaci airbagu použít do 100 m. Snímač struktury dutiny výše představený může být obecně navržen jako pracovní režim naplněný tekutinou pro dosažení práce v hluboké vodě. V této části je uvedeno několik příkladů použití konstrukce olejové náplně.

 

Kendigova výzkumná práce publikovaná v roce 1965, kombinovaná aplikace 4 piezoelektrických keramických diskem poháněných podélných měničů PZT-4, naplněných silikonovým olejem pro ochranu dutiny vytvořené mezi ocelovým pláštěm (včetně zvuk přenášející pryžové desky) a měničem Dutina je spojena se zadní komorou pro kapalinu. Pryž předního konce a pryžové okno na zadním konci jsou v kontaktu s mořskou vodou, aby se dosáhlo vnitřní a vnější tlakové rovnováhy. Pracovní šířka pásma převodníku je 30-50 kHz a experimentálně byla studována práce v rozsahu hydrostatického tlaku 0-6,9 MPa. Je charakteristické, že tato metoda vyrovnávání tlaku se stále používá v mnoha hlubinných sonarových polích. Obrázek 22b ukazuje toroidní měnič s volným přepadem se strukturou naplněnou olejem. Piezoelektrický keramický kroužek je zavěšen v polyuretanové pryžové objímce a vnitřek je vyplněn silikonovým olejem pro dosažení rovnováhy tlaku s vnějším světem. Objímka z polyuretanové pryže je ideální materiál pro přenos zvuku, tento druh měniče má podobné pracovní vlastnosti jako forma přímého infuzního povlaku z polyuretanové pryže. Pro kruhovou trubku PZT-4 Φ 150 mm × 140 mm × 50 mm simulační analýza a experimentální studie polyuretanové pryže ve frekvenčním rozsahu 5 ～ 10 kHz Materiál objímky je nahrazen titanovou slitinou nebo ocelí. Výsledkem je, že titanová slitina snižuje emisní napěťovou odezvu asi o 6 dB a ocel snižuje emisní napěťovou odezvu asi o 12 dB.

 

3. Závěr

Při pohledu na stoletou historii vývoje technologie měničů, od zrodu prvního piezoelektrického měniče až po energický vývoj moderní technologie měničů, se často objevovaly technologické inovace v podvodních akustických měničích. Mezi hlavní cíle inovace a vývoje technologie převodníků patří: zjednodušování složitých procesů, prolamování technických úzkých míst, přepisování technických limitů, zlepšování komplexní technické výkonnosti, navrhování nových koncepcí a nových mechanismů, generování a vývoj nových technických směrů a prohlubování a zdokonalování teorie převodních disciplín Systém a tak dále. Tento článek představuje některé výzkumné případy, které odrážejí inovativní design a vynikající řemeslné zpracování převodníku z hlediska aplikace nového materiálu, nové struktury a technologie převodníku atd.