Nye udviklinger af piezo-keramik brugt i undervands-ekkolodtransducere

Transduceren er en vigtig del af ekkolod. Fra perspektivet om hydroakustikkens historie er hvert trin i udviklingen af ​​undervandsakustik uadskilleligt fra udviklingen af ​​transducerteknologi. Siden hydroakustiske transducere spiller en nøglerolle i akustisk undervandsteknik, har mange udviklede lande investeret enormt i forskningen. Fra historien om udviklingen af ​​akustisk undervandsudstyr, fra begyndelsen af ​​1. Verdenskrig, er transduceren af ​​Langevin-typen bestående af bl.a. piezoelektriske keramiske krystaller og metalmasser blev brugt. Efter mange produktudskiftninger blev transducerne brugt. Ydeevnen er blevet væsentligt forbedret. I de sidste to eller tre årtier, på grund af militær efterspørgsel, den hurtige udvikling af videnskab og teknologi, den kontinuerlige udvikling og anvendelse af nye transducermaterialer og anvendelsen af ​​finite piezo-elementanalyse i transducerdesign, transducerforskning. Med udgangspunkt i den klassiske teori og analytiske metoder er der opstået mange nye begreber og metoder. Den akustiske undervandstransducer står over for en ny runde af produktudskiftning. Kæmpe magnetostriktiv fortyndet transducer, højtydende elektrostriktiv piezokeramisk transducer, vektorhydrofon, piezoelektrisk komposittransducer, lavfrekvent PVDF-hydrofon med stort område, fiberoptisk hydrofon osv. Det repræsenterer den seneste udvikling inden for transducerforskning. Ud fra dette aspekt ser denne artikel frem til den seneste udvikling af undervands-ekkolodstransducere.

kæmpe magnetostriktiv transducer

I 1970'erne opdagede AE ​​Clark, at sjældne jordarters legeringer har supermagnetostriktive egenskaber. Disse maksimale belastninger forårsaget af magnetostriktive virkninger er 6 til 20 gange større end dem for piezoelektrisk rørtransducer brugt i undervands akustiske transducere, og energitætheden er omkring 10 til 20 gange, og lydhastigheden er kun 2/3 til 3/4 af den piezoelektriske keramik, og ydeevnesammenligningen mellem det sjældne jordarters materiale Terfenol2D og det konventionelle piezoelektriske materiale og PZT er givet-8. Derfor har Terfenol2D hydroakustiske transduceren under de samme volumenforhold en resonansfrekvens, der er 2/3 til 3/4 lavere end resonansfrekvensen for den piezoelektriske keramiske hydroakustiske transducer. Fordi transduceren lavet af sjældne jordarters gigantiske magnetostriktive materiale Terfenol2D har karakteristika af stor transmissionseffekt, lille volumen, letvægt og højtemperaturmiljø, opnås den i udviklingen af ​​lavfrekvent-meget lavfrekvent højeffekts akustisk undervandstransducer. Tilstrækkelig opmærksomhed og anvendelse. I 1980'erne har udviklede lande udviklet forskellige transducere til sjældne jordarter og anvendt dem på det militære område. Sverige har med succes udviklet kurvede sjældne jordarters transducere med en lydeffekt på 151 kW til minestrygning. Kina begyndte forskning i 1990'erne, men det har gjort hurtige fremskridt. De har med succes udviklet bøjningstransducere til sjældne jordarter, indlagte transducere med sjældne jordarter og sjældne jordarttransducere med kompositstave i længderetningen osv. Hovedtrækkene ved Terfenol2D-materialer er (1) skøre materialer og vanskelig bearbejdning. (2) Da sjældne jordarters materialer ikke kun er et magnetisk ledende materiale, men også et ledende materiale, vil sjældne jordarters transducer, når det eksterne magnetfelt ændres. Der vil blive genereret hvirvelstrømstab indeni, og tabene vil være store ved høje frekvenser. Sammenlignet med piezoelektriske keramiske transducere skal gigantiske magnetostriktive transducere løse problemer som magnetisk forspænding, forspænding, hvirvelstrømstab og dybvandskompensation. På nuværende tidspunkt er der nogle løsninger på disse mangler. Med det formål at løse problemet med sprødt materiale og stort hvirvelstrømstab studeres det gigantiske magnetostriktive materiale GMPC, pulveriseret Terfenol 2D, blandet bindematerialerne og presset og dannet ved pulvermetallurgi. Til design af gigantiske magnetostriktive transducere er det en fordelagtig løsning at udnytte dens store deformation og høje energitæthed fuldt ud som excitationskilde for bøjningstransduceren. Det kan bruges til at lave en række lavfrekvente, lille volumen og høj effektkonvertering. Korrekt valg af magnetisk forspænding, forspænding og påføringsteknikker af gigantiske magnetostriktive materialer af sjældne jordarter har stor indflydelse på transducerens ydeevne. Generelt er den magnetiske forspænding valgt til 1/3 af den magnetostriktive mætningsværdi, og forspændingen vælges fra 7 MPa til 10 MPa for at opnå en stor udgangseffekt.

Fiberoptisk hydrofon

Fiberoptisk hydrofonteknologi begyndte i US Naval Laboratory i slutningen af ​​1970'erne. Den fiberoptiske hydrofon har fordelene ved høj følsomhed, stærk anti-elektromagnetisk interferens, stort dynamisk område, lille størrelse og let vægt Pzt4 piezoelektrisk halvkugle . Derfor blev teknologien højt værdsat, så snart den blev født, og den blev betragtet som en af ​​nøgleteknologierne i det nationale forsvar. Efter mere end 20 års udvikling har fiberoptisk hydrofonteknologi gjort store fremskridt i udviklede lande, og forskellige fiberoptiske hydrofoner er blevet introduceret. De har færdiggjort helfiber-hydrofon-ubådslydovervågningssystemet, bugseret linjearray, ubådskonforme array og så videre. Især har den succesrige udvikling af solid-state lasere åbnet en stor verden af ​​applikationer til optiske fibre. Den fiberoptiske hydrofonteknologi har også en god start. Enhedens prototypes ydeevne har været tæt på eller nået det internationale niveau, og forskning i fiberoptisk hydrofonarray-teknologi er blevet udført. Ekkolodforskningens indtrængen i laserteknologi vil utvivlsomt åbne en ny side inden for sonarforskning. Alle slags fiberoptiske hydrofoner er designet i overensstemmelse med effekten af ​​lydbølger for at lave fasemodulering eller intensitetsmodulation af fiberlyset. Fiberen er opdelt i multimode fiber og single mode fiber. Den fiberoptiske hydrofon er for det meste lavet af single mode fiber. Interferometertype og lysintensitetsmodulationstype. Under påvirkning af lydtryk genereres stress i kernen af ​​den optiske fiber for at forårsage ændringer i brydningsindeks og længde. Disse to ændringer forårsager fasemodulation af laseren, der udbreder sig i den optiske fiber. Den fiberoptiske hydrofon af interferometertype skal bruge den fiber, der påvirkes af lydfeltet, som den følsomme fiber, og den anden er adskilt fra lydfeltet. Fiberen med en fast faseforskel bruges som referencefiber, som er placeret på armene af interferometeret og den fotoelektriske konverter. Efter syntesen dannes interferens på overfladen af ​​den modtagne fotomultiplikator, og akustisk information detekteres. Fordi lysets bølgelængde er meget lille, er den lette belastning af signalet forårsaget af lydtrykket ikke en lille ændring i forhold til lysets bølgelængde og forårsager således en stor ændring i udgangslysintensiteten, så følsomheden af ​​hydrofonen af ​​fiberinterferenstypen er særlig høj. Den tekniske ydeevne opnået af fiber-interferometerets fiberoptiske hydrofon er som følger: modtagespændingsfølsomhed: - 140dB (0dB = 1V/μPa) Fasefølsomhed: 2. 56 × 10 - 8 rad / μPa . Frekvensrespons: 16Hz retning ~ 10kd (undulation) omnidirektionel (undulation ≤ 2. 5dB) Blandt alle hydrofoner af intensitetstype er hydrofonen af gittertypen en ny, gennemprøvet og effektiv akustisk undervandsdetektor. 

Outputtet udtrykkes som en direkte intensitetsmodulation af det indfaldende lydfelt. Dets vigtigste arbejdsprincip er at forårsage den relative forskydning af de to gitre mellem den konstante lyskilde og lysmodtageren under påvirkning af lydfeltet, og modtageintensiteten er en funktion af den relative forskydning af de to gitre, således at lydfeltet kan transformeres. Til intensitetsmodulation. Selve gitterhydrofonen består i det væsentlige af to aksialt orienterede optiske bølgeledere (eller fibre) med et lille mellemrum, og åbningerne i mellemrummet, der styrer transmittansen, giver den nødvendige intensitetsmodulation. Hydrofonen giver alle fordelene ved en direkte intensitetsmodulationsanordning og er billig. Gittermetoden kan opnå en relativt høj følsomhed, og enheden er enkel at fremstille, uden nogen avanceret optisk teknologi, og har et dynamisk område på op til 160 dB, og har evnen til at detektere en forskydning forårsaget af lyd mindre end 0,01 A. Derudover er der på grund af det fleksible valg af gittertæthed, offset, optisk effekt og mere fleksibilitet i konstruktionen af hydrofonen, betjeningsevnen og hydrofonstørrelsen, følsomheden i betjeningsområdet. frekvensområde. For fiberoptiske hydrofoner er skudstøj forårsaget af strømudsving på fotodioden dens vigtigste kilde til støj og omtales ofte som den teoretiske støjgrænse. Derudover har strålejustering, referencestråleisolering og kildevibrationsisolering en direkte indvirkning på ydeevnen. Den største ulempe ved fiberoptiske hydrofoner er den store temperatureffekt.