Ny type undervands akustisk transducer og ny transducerteknologi

Akustiske bølger er den eneste bærer, som mennesker har, der kan overføre information og energi over lange afstande i det store hav. På landjorden bruger folk elektromagnetiske bølger til at udvikle radarer. På samme måde bruger folk akustiske bølger som informationsbærere til at udvikle undervandsmål til detektion og elektronisk udstyr til positionering, identifikation og kommunikation-ekkolod. Over for det store hav tager ekkolod en vigtig mission, som når alle hjørner af det store hav, identificerer forskellige ting i det, som fortæller folk det sande ansigt af undervandsverdenen og hjælper folk med at udforske havets mysterier, for at blive undervandskommunikationsnavigation, akvatisk fiskeri, udvikling af havressourcer, marin geologi og geomorfologisk udforskning, grunden til, at lydmedier er blevet den bedste undervands-information, grunden til, at lydmedier er blevet bærere af lyd, den mindste dæmpningskoefficient sammenlignet med andre fysiske felter såsom elektromagnetiske bølger, og kan transmitteres over lange afstande. Denne fordel gør sonar ved at bruge ultralydsbølger til at observere under vandet fra begyndelsen. Målet begynder og fortsætter med at udvikle sig. På nuværende tidspunkt er ekkoloddets arbejdsfrekvensbånd blevet udvidet til et bredt område. Aktivt ekkolod er blevet udvidet fra tiere af Hz til tiere af MHz, og lavfrekvente ende af passivt ekkolod er blevet udvidet til infralydområdet. I et så bredt frekvensbånd kaldes den vigtige enhed, der stimulerer og genererer lydbølger i form af signaler og sanser og modtager lydbølger i vand uden forvrængning, ifølge forskrifterne sonartransducer eller sonararray. Disse enheder er ekkolodssystemets front-end udstyr, såvel som 'vinduet' for ekkolodssystemet til at interagere med vandmediet og udveksle information, og er 'realizers' af ekkolodssystemets funktioner, for ekkolodstransducere eller ekkolodsarrays. Det omtales levende som ekkolodsystemets 'øjne og ører'. Med den kontinuerlige udvidelse af anvendelsesområdet for ekkolodsteknologi og den stadigt stigende efterspørgsel efter militær konfrontation og kamp, ​​er nye principper, nye teknologier og nyt ekkolodsudstyr dukket op efter hinanden, en efter en. Udviklingskravene til ny sonarteknologi har drevet den hurtige udvikling af transducerteknologi og de samme teknologiske gennembrud inden for transducere og udviklingen af ​​nye materialer, nye mekanismer og nye strukturer af akustiske undervandstransducere har også gjort sonarsystemet 'forfriskende'. Her er et kort overblik over transducerteknologiens udviklingsstatus i de senere år baseret på den information, som forfatteren har og det begrænsede niveau af forståelse. Det inkluderer hovedsageligt nyt materiale hydroakustisk transducer, ny struktur og ny mekanisme hydroakustisk transducer, ny type hydrofon, bredbåndstransducerteknologi og så videre.

 

2 Nyt materiale akustisk undervandstransducer

 

Transduceren er en enhed, der realiserer energiomdannelse i ekkolodssystemet. I transduceren er der et specielt materiale, der har evnen til at omsætte energi. Dette materiale kaldes et funktionelt materiale. De funktionelle materialer, der bruges til at fremstille transducere, omfatter hovedsageligt piezoelektriske materialer (såsom piezoelektriske krystaller, piezoelektriske keramik, piezoelektriske polymerer osv.) og magnetostriktive materialer (såsom nikkel, kobolt, nikkel-jernlegeringer, ferritter, sjældne jordarters effekt på jernlegeringer osv.) til magnetisk effekt på jernlegeringer osv.) realisere den gensidige omdannelse mellem elektrisk feltenergi eller magnetisk feltenergi og mekanisk energi. Transducerteknologiens gennembrud er grundlæggende bestemt af funktionelle materialers teknologiske gennembrud. I de senere år har forskellige tekniske resultater inden for funktionelle materialer også bragt daggry til udviklingen af ​​transducerteknologi. Lægen opdagede, at de sjældne jordarters lanthanidmaterialer har fantastiske magnetostriktive egenskaber, men de er ikke blevet brugt i praksis, fordi curiepunktet er lavere end stuetemperatur. Senere blev det opdaget, at binære, ternære eller kvaternære legeringer sammensat af sjældne jordarters grundstoffer og jern også har gigantiske magnetostriktive egenskaber ved stuetemperatur. Den mest repræsentative legering af sjældne jordarter er Terfenol-D (sammensætningen er Tb0.27Dy0.73Fe1). 95), er det blevet en ny type funktionelt materiale, der har tiltrukket sig stor opmærksomhed siden 1980'erne. Afslapningsferroelektrisk enkeltkrystal blymagnesiumniobat-blytitanat (PMN-PT) og blyzinkniobat-blytitanat (benævnt PZN-PT) er nye typer kompositperovskitkrystalmaterialer, og de er også ved at dukke op En klasse af nye funktionelle materialer med store anvendelsesmuligheder. Før dette blev nikkel almindeligvis brugt som materiale til transducere. I 1917 lavede den franske videnskabsmand Langevin en ekkolodstransducer med en kvartskrystal, hvilket satte præcedens for anvendelsen af ​​piezoelektriske materialer i ekkoloddet i 1940'erne, BaTiO3 pzt-keramik med stærke piezoelektriske egenskaber blev med succes udviklet og blev meget brugt i sonarsystemer. PZT piezoelektriske keramik udviklet i 1950'erne har et bredt driftstemperaturområde og fremragende elektromekaniske egenskaber. Konverteringseffektiviteten kompenserer for utilstrækkeligheden af ​​Ba TiO3-keramik og blev engang det foretrukne materiale til akustiske undervandstransducere. Blandt dem er det piezoelektriske keramiske materiale med høj energitæthed PZT-8. En simpel sammenligning af ovennævnte materialer: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT kan producere stammer omkring 5 gange større end PZT-8 og 50 gange nikkel; de piezoelektriske konstanter for PMN-PT og PZN-PT er d33. Det er 6-8 gange så meget som PZT-8-materiale. Brugen af ​​disse pzt-materialer til at udvikle nye akustiske undervandstransducere er et af de aktuelle hotte emner.

 

Magnetostriktivt materiale af cylinder undervands akustisk transducer er sjælden, hvilket jordgigantisk magnetostriktivt materiale bruger magnetostriktiv effekt til at realisere den gensidige konvertering mellem magnetisk feltenergi og mekanisk energi, og bruges hovedsageligt til at udvikle lavfrekvente og højeffekts undervands akustiske emissionstransducere. Det er en slags 'kompleks' struktur af den transducer-højtemperatur superledende magnetostriktive hydroakustiske transducer. Set fra transducerens struktur er dens struktur meget enkel. Det er en almindelig dual-radiator langsgående transducer. Det såkaldte 'komplekse' refererer her til dets rige fysiske konnotation. Den magnetostriktive kraft af sjældne jordarters legeringsmaterialer ved lav temperatur er større end ved stuetemperatur. For eksempel er den maksimale magnetostriktive stamme af Tb0.6Dy0.4 ved 77K temperatur 0,65%, mens Terfenol-D er ved stuetemperatur. Den højeste magnetostriktive belastning er 0,25%. Udviklet en magnetostriktiv hydroakustisk transducer af Tb0.6Dy0.4-materiale med et temperaturområde på 50-60K: det stangformede materiale af sjældne jordarters legering placeres i klimaanlægsrummet, og køleskabets køletårn afkøles cyklisk, og klimaanlægsrummet er forsynet med en superledende coil-materiale. Forspændingsmagnetfeltet og det magnetiske excitationsfelt exciterer den magnetostriktive stang for at producere strækvibrationer, som overføres til den udstrålende overflade af stempeltypen gennem det mekaniske overgangsstykke, og den udstrålende overflade af stempeltypen skubber vandmediet for at generere trykbølgestråling. Et vakuumkammer er designet i strukturen til at isolere varmeledning. Vakuumkammerets ydervæg er et kuppelformet trykfast dæksel, som kan modstå et tryk på 10 atmosfærer. De vigtigste tekniske parametre er som følger: resonansfrekvens 430 Hz, maksimalt lydkildeniveau 181. 4db, effektiviteten er omkring 25%. Fremstillingsprocessen af ​​denne type transducer er kompliceret. I de senere år er folk stadig villige til at bruge terfenol-D-materiale, der fungerer ved stuetemperatur, opgive en vis magnetostriktiv belastning og erstatte det med en ny struktur for at opnå fremragende strålingsydelse. Det følgende er en kort introduktion til forskningsfremskridtet for adskillige strukturelle magnetostriktive materialer i akustiske undervandstransducere. Den langsgående transducer har en enkel struktur. Den magnetostriktive stang er kombineret med det forreste udstrålende hoved og halemasse for at danne et lignende endimensionelt vibrationssystem. Det forreste udstrålende hoved er generelt lavet af letvægtsmaterialer, og halemassen er generelt lavet af tætte materialer for at opnå en udstrålende overflade. Output større vibrationsforskydning. To langsgående transducere udviklet med Terfenol-D materialer introduceres. Den ene er en generel langsgående transducer med en resonansfrekvens på 1200 Hz, en lydeffekt på 3 kW og en transducervægt på 60 kg; den anden er den sjældne jordart i begge ender. Designet som en hornformet dobbeltendet udstrålende langsgående transducer, resonansfrekvensen er 400 Hz, lydeffekten er 1,5 kW, og transducerens vægt er op til 100 kg. Ringformet transducer: en regulær polygon omgivet af et antal sjældne jordarters stænger og en række cirkulære bueoverflader exciteres af overgangsstykket for at lave radiale vibrationer for at opnå akustisk stråling med høj effekt. Der er udviklet en række sjældne jordarters lavfrekvente høj-effekt toroidale transducere, herunder transducere med en resonansfrekvens på 200 Hz (indre diameter 0,56m, ydre diameter 0,94m, højde 0,37m, lydkildeniveau 193dB, vægt 410kg) og en transducer med en højde på 3mz dia. 1,1m, lydkildeniveau 195dB, vægt 5t). Flextensional transducer er en slags transducer, der bruger den langsgående vibration af piezoelektrisk keramisk stabel eller magnetostriktiv stang til at excitere strålingsoverfladen på skallen (eller tøndestrålen) med amplitudeforstærkningseffekt til bøjningsvibration. Flere almindeligt anvendte transducere er anført. Typer af flextensionelle transducere, blandt hvilke I, II og III har de samme egenskaber. Den langsgående vibrerende stang exciterer en rotationssymmetrisk buet skal. Skallen kan være en kontinuerlig struktur eller en struktur, der er skåret i en gruppe af bjælker. Purcell brugte Terfenol-D-materiale til at udvikle en konkav tøndestråle-bøjningsspændingstransducer (type III) med en resonansfrekvens på 1300 Hz, et lydkildeniveau på 188,7 dB og en båndbredde på 600 Hz. På grund af brugen af ​​et enkelt stang åbent magnetisk kredsløb er resonansfrekvensen. Den maksimale AC elektroakustiske effektivitet er kun 7%, og vægten af ​​transduceren er 2,7 kg. Fish-lip flextensional transducere har fælles karakteristika. Transduceren exciteres af en langsgående vibrerende stang for at bøje den konvekse eller konkave elliptiske skal for at opnå højeffektstråling. Fish-lip flextension-transduceren anvender amplitudeforstærkningseffekten. Effekten af vægtning med arealet øger lydstrålingseffekten. Rapporterede, at denne nye type lavfrekvent højeffekts akustisk undervandstransducer, inklusive resonansfrekvensen på 210Hz, 450Hz, 800Hz og 1200Hz, er forskningsresultaterne af denne nye type transducer i øjeblikket brugt i aktive lydsystemer med lavfrekvent lyd, f.eks. kilder og støjsimulatorer.

 

Afslappende ferroelektrisk materiale akustisk undervandstransducer

 

Relaxor ferroelektriske materialer er en slags potentielle funktionelle materialer, som kan opdeles i elektrostriktive keramiske typer og relaxor ferroelektriske enkeltkrystaltyper. Fremstillingsprocessen for relaxor ferroelektriske enkeltkrystaller er meget mere kompliceret end for elektrostriktive keramiske materialer. Forskere har brugt disse materialer til at fremstille mange typer transducere, såsom bøjningstransducere, langsgående transducere og så videre. Transducerfremstillingsteknologien for denne type materiale er mere kompliceret, og det er nødvendigt at tilføje et elektrisk forspændingsfelt for jævnstrøm, påføre forspænding og kontrollere processens temperatur. Brugen af ​​PMN-PT-BT (bly magnesium niobate-bly titanate-barium titanate) elektrostriktiv keramik udviklede IV-typen flextensional transducer. Forskningsresultaterne viser, at den udviklede transducer ikke har maksimeret materialets potentiale. Dette arbejde vil stadig være et af de hot spots, der skal udforskes inden for akustiske undervandstransducere i en periode. Brug af PMN-PT relaxor ferroelektrisk enkeltkrystalmateriale til at studere 64 kanaler af 3,5MHz ultralydssonde, brugt i medicinsk B-ultralyd og Doppler farve ultralydsbilleddannelsesudstyr, hvilket tyder på, at relaxor ferroelektrisk enkeltkrystalmateriale i højfrekvent billedsonar.

 

Piezoelektrisk polymer film af sfærisk akustisk undervandstransducer kan laves til en fleksibel membran, og transduceren kan designes i enhver form, når transduceren fremstilles, og materialets akustiske impedans er lav, og det er let at opnå impedans med vand og andre flydende medier og biologiske væv. Matching, der ofte bruges til fremstilling af højfrekvente standardhydrofoner, højfrekvente transducere, medicinske ultralydstransducere, konforme arrays og diversificerede sammensatte transducer-arrays, Den almindeligt anvendte piezoelektriske polymer til fremstilling af transducere er hovedsageligt polyvinylidenfluorid (PVDF). På nuværende tidspunkt er den mere iøjnefaldende piezoelektriske polymermaterialefilm EMFi (forkortelse af electro mechanicalfil), en slags polypropylenskum fleksibel film, dens piezoelektriske konstant er omkring 10 gange højere end PVDF, som kan bruges til at lave højfølsomme transducere. Strukturen af ​​EMFi tyndfilmtransduceren har en modtagende overfladediameter på 35 mm, og transducerens modtagefølsomhed er større end -190dB (referenceværdien er 1V/μPa). Denne form for transducer kan også bruges i luften til at modtage eller udsende lydbølger.

 

Introduktion af den nye struktur af akustisk undervandstransducer og forskellige transduktionsmekanismer. Funktionelle materialer er vigtige i transduceren, men de skal spilles af en passende struktur. Derfor ser det strukturelle design af transduceren ud til at være særligt vigtigt i udviklingen af ​​transducerteknologi. vigtig. I henhold til forskellige anvendelsesområder og forskellige tekniske krav, eller i henhold til egenskaberne ved forskellige transduktionsmekanismer og funktionelle materialer, er forskellige typer transducere kommet ud efter hinanden, hvoraf mange kombinerer tværfaglige teknologier for i fællesskab at bryde ny jord Tekniske vanskeligheder for at opfylde nogle særlige tekniske krav. Den højtemperatur superledende magnetostriktive hydroakustiske transducer er et typisk eksempel. I det foregående indhold af denne artikel og de typer transducere, der skal introduceres senere, er mange også nye strukturer og nye mekanismer af akustiske undervandstransducere. For ikke at gentage, nævner dette afsnit kun to andre designeksempler på nye strukturer.

 

Cymbal type (cymbal) transducer er en slags ny struktur transducer svarende til flextensional transducer. Hver bækkentype transducer består af et par PZT piezoelektriske keramiske skiver og en metalhætte er bundet sammen. Den PZT piezoelektriske keramiske skive anvender en vekselspænding for at generere radial vibration for at excitere metalhætten til bøjningsvibration, og transducerens hævede metalhætte frembringer vekslende vibrationer af 'ekspansionskrympning'. Stråling lydbølger. Når den samme vekseltrykbølge virker på metalhætten, vil trykket blive overført til den piezoelektriske keramiske skive PZT, og vekselspændingen udsendes ved de to poler på den keramiske skive, som bruges som en modtagende transducer. Resonansfrekvensen af ​​cymbal-type transduceren i vand er 16,1 kHz, og emissionsspændingsresponsen er 130 dB (referenceværdien er 1μPa/V, ved 1m). Figur 5 viser også billedet af 9-element matrixen sammensat af denne type transducer. . I den lavfrekvente piezoelektriske transducer af spiralfjedertypen forarbejdes den piezoelektriske keramik til en spiralfjederform (som vist i figur 6),piezoelektrisk keramisk transducer polariseres i tangential retning, og derefter konstrueres et excitationselektrodepar. Den neutrale sektion uden elektroder i midten er adskilt for at danne et ydre ringelektrodepar 1 og et indre ringelektrodepar 2 (se det forstørrede skematiske diagram af et lille fragment i fig. 6). På denne måde påføres excitationsspændingen V til elektrodeparret, den del af den piezoelektriske keramik, der styres af det ydre ringelektrodepar og det indre ringelektrodepar, vil producere modsatte vibrationer (forlængelse eller sammentrækning), og fjedersystemets ekspansions- og kontraktionsbevægelse vil drive stemplets arbejdsflade til at vibrere lydenergi. På grund af denne strukturs lave stivhed har den en lav resonansfrekvens og kan bruges som en lavfrekvent transducer. Når den bruges som modtager, har den også høj følsomhed i lavfrekvensbånd. Med udgangspunkt i den piezoelektriske ligning blev der opnået et elektromekanisk konverteringsforhold for denne type transducer, og der blev udført en del undersøgende forskningsarbejde.

 

Introduktion til forskellige energiomdannelsesmekanismer i akustiske undervandstransducere Fra energiomdannelsesperspektivet kan transducere hovedsageligt opdeles i piezoelektriske transducere, der bruger piezoelektrisk effekt til at opnå energiomdannelse og magnetik, der bruger magnetostriktiv effekt til at opnå energiomdannelse. Indtrækkelige transducere, de transducere, der er involveret i det foregående indhold, tilhører disse to typer.