Forskningsfremskridt og udviklingsmuligheder for undervands akustisk transducerteknologi

Akustiske bølger anses for at være den eneste informationsbærer, der kan rejse lange afstande i havet. Havforskning, ressourceudvikling og maritime militære kampe er alle uadskillelige fra akustisk undervandsteknologi. Udviklingen af hydroakustisk teknologi kræver forskellige typer hydroakustiske transducere for at yde støtte, og missionen for hydroakustiske transducere er at transmittere og modtage lydbølger under vandet, så hydroakustiske transducere er kendt som 'øjne og ører på hydroakustisk udstyr. Udviklingen af hydroakustiske transducere omfatter hovedsageligt anvendelsen af nye materialer, indførelse af nye processer og forbedring af design og forbedring af nye processer. Omfattende teknisk ydeevne af transduceren Det presserende behov fra området for hydroakustiske transducere er den direkte udvikling af hydroakustiske transducere. kombineret med mit lands havteknologiudviklingsstrategi og situation, diskutere kort de udfordringer og udviklingsmuligheder, som den nuværende akustiske undervandstransducerteknologi står over for.

 

De undervands akustisk transducer er en type sensor, der realiserer omdannelsen af ​​lyd og andre former for energi eller information i vandmediet; den akustiske undervandstransducer er ekkolodssystemets front-end udstyr, og det er også interaktionen mellem ekkolodssystemet og vandmediet til at udveksle information. vindue'. Området for forskning og udvikling af akustisk undervandstransducerteknologi involverer integration af flere discipliner, og de nært beslægtede discipliner omfatter hovedsageligt: fysik, materialevidenskab, matematik, mekanik, elektronik, kemi, mekanik osv., så udviklingen af akustiske undervandstransducere Det er tæt forbundet med de samme discipliner, der er begrænset og grundlæggende udvikling af forskellige discipliner på forskellige tidspunkter. discipliner at dømme ud fra årtiers udviklingshistorie for mit lands hydroakustiske transducere, kommer den største udviklingsmotivation fra anvendelseskravene inden for hydroakustisk teknologi, men indtil slutningen af det 20. århundrede manglede udviklingen af mit lands hydroakustiske transducerteknologi overordnet og systematisk karakter.

 

1.1 Forskningsfremskridt for lavfrekvente transducere

Som svar på de presserende behov for ultra-langrækkende undervandsinformationstransmission og udviklingen af ​​ultra-stealth ubådsdetektion, er lavfrekvente transducere blevet et af de mest bekymrede hotspots inden for akustiske undervandstransducere siden det 21. århundrede. Arbejdsfrekvensbåndet for fremmed ultra-lang rækkevidde detektion og kommunikation sonar er blevet reduceret til omkring 100 Hz. Lavfrekvente transducere involverer mange teoretiske og tekniske problemer, som ikke er blevet løst godt på nuværende tidspunkt, og dette aspekt vil stadig være forskningshotspot og fokus i den fremtidige udvikling. Dette afsnit udvælger forskningsarbejdet med lavfrekvente transducere med bøjningsvibrationer og bøjningsspændingstransducere og opsummerer de nye teknologiske resultater.

 

1.1.1 Bøjningsvibrations lavfrekvent transducer

Det første tekniske problem, som udviklingen af ​​lavfrekvente undervandstransducere står over for, er den geometriske størrelse. Generelt er arbejdsfrekvensen af ​​resonanstransducere omvendt proportional med den geometriske størrelse. Det vil sige, jo lavere frekvensen af ​​transduceren er, jo større vil den geometriske størrelse være. Vibration kan effektivt reducere den geometriske størrelse af lavfrekvente transducere. De nye designs af lavfrekvente bøjningsvibrationstransducere i Kina i de sidste 20 år omfatter hovedsageligt kurvede stråletransducere og kurvede disktransducere.

 

(1) Bøjestråletransducer. Design en cylindrisk cantilever beam bredbåndstransducer (Figur 1a). Strukturdesignet kombinerer egenskaberne ved lav bøjningsvibrationsmodal frekvens og metoden til multimodal vibrationskobling for at udvide frekvensbåndet. Chai Yong et al. Det foreslås en rørstrålekoblingsringtransducer (figur 1b). Ved at tilføje en buet bjælke til den indlagte ringformede transducer for at danne en rør-bjælke koblingsstruktur, øges den effektive arbejdstilstand. Brug multi-mode-kobling for at opnå lavfrekvente og bredbåndsdriftskarakteristika. Overløbsstrukturen er vedtaget, og dens evne til at modstå hydrostatisk tryk er blevet verificeret ved den faktiske anvendelse af 3 000 m dybhavsstandarden. Xu et al. foreslået to designordninger for cylindriske lavfrekvente transducere (figur 1c og d), udførte en række simuleringer og gav emissionsresponskurverne drevet af de nye magnetostriktive materialer Terfenol-D og Galfenol. Det demonstrerer potentialet i transducerstrukturen til ultra-lavfrekvente applikationer.

Figur 1 Nyt design af lavfrekvent transducer til buet stråle (a), 0 er en fast stråle, og 1-5 er cylindriske bjælker med forskellige tykkelser

(3) Transducer med bøjet disk. Den buede disktransducer inkluderer strukturer med tre stakke, dobbelte stakke og så videre. Figur 2a viser en kompakt buet skivetransducer sammensat af et par dobbelte lamineringer. Det udenlandske forskningsarbejde er relativt modent. Det er udført dybdegående forskning i denne grundlæggende struktur af den buede skive transducer. Med udgangspunkt i denne grundlæggende struktur, ved at designe væskekammeret og forbedre køretilstanden, er der produceret nogle nye designs]. Figur 2b er en kurvet skivetransducer drevet af en mosaikring. Designet i figur 2c bruger kurvede disktransducere af forskellige størrelser til at danne en matrix og anvender forskellige drivmetoder til at opnå bredbåndsdrift. Figur 2d er en kurvet skivetransducer med overløbshulrumsstruktur. Størrelsen af ​​væskehulrummet er tilpasset i designet for at opfylde kravene til akustisk ydeevne. Det er en buet skivetransducer drevet af galfenol, som bruger en struktur svarende til en langsgående transducer til at excitere bøjningsvibrationen af ​​fronten, der udstråler 

Figur 2 Nyt design af lavfrekvent transducer med buet skive

1.1.2 Flextensional transducer

Konceptet med flextension-transduceren startede fra Hayes' patent i 1936. Den grundlæggende arbejdstilstand er, at en eller flere teleskopiske vibratorer driver den bøjelige vibrationsskal til at generere lavfrekvent lydstråling. Forskningen og anvendelsen af ​​flextensionelle transducere i mit land har været aktiv siden slutningen af ​​det 20. århundrede. Forskere har designet flextensionelle transducere med forskellige strukturer. I henhold til strukturen og excitationsmetoden er flextensionstransducerne opdelt i tre kategorier. Denne klassificeringsmetode bruges her til at introducere separat.

 

(2) Bøjningsspændingstransducer med cylindrisk struktur. Denne type transducer drives af en langsgående teleskopisk vibrator for at oversætte den bøjelige vibrationsskal. Transducerens vibrerende skal er en translationsstruktur, det vil sige en cylindrisk skal af forskellige former, som drives af en eller flere langsgående teleskopiske vibratorer. Inklusive IV-type flextensional transducer og dens deformationsstruktur, VII-type flextensional transducer, quadrilateral flextensional transducer osv. Figur 3a er en typisk IV-type flextensional transducerstruktur. IV-type flextensional transducer drevet af et relaxor ferroelektrisk enkeltkrystal PMNT-materiale er blevet udviklet. IV-type flextensional transducer drevet af det gigantiske magnetostriktive materiale Terfenol-D af sjældne jordarter blev udviklet. Figur 3b er det nye design af VII type flextensional transducer, som er drevet af det gigantiske magnetostriktive materiale Terfenol-D af sjældne jordarter. Excitationsmetoden er designet på den bredeste del af den tværgående dimension, og et par parallelle vibratorer er designet til at give et dybdegående kig på denne type transducer. Serien af undersøgelser omfatter forspændingsdesignanalyse, teoretisk modellering, modal analyse, eksperimentel forskning osv. Figur 3c er et forbedret nyt design af IV type flextensional transducer, som ligner designforbedringen af type I flextensional transducer til type II flextensional transducer, ved brug af en elliptisk skalstruktur med en lang axie, den er drevet af en lang transducer. ferroelektrisk enkeltkrystalmateriale PMNT, som har bedre bredbåndsdriftskarakteristika end den generelle IV-type flextensional transducer. Figur 3d er det tidligste nye design til at forbedre IV-type flextensional transducer i Kina - fish-lip type flextensional transducer, som bruger en elliptisk skal med variabel højde og bruger det sjældne jordarters supermagnetostriktive materiale Terfenol-D-drev, denne specialformede vibrerende skal har en løftearmseffekt og en stærkt vægtet dobbeltforstærkning. På nuværende tidspunkt er Terfenol-D fish-lip flextension-transduceren blevet serialiseret og designet til en dobbeltskalstruktur for yderligere at øge transmissionseffekten. Den maksimale lydeffekt for en enkelt transducer kan nå op på 10.000 watt, hvilket gør den til en lavfrekvent højeffekttransducer i hjemmet. En af de grundlæggende typer. Figur 3e er en ortogonal excitations firsidet flextensionstransducer, som anvender en kompakt designforbedring, som kan tilføje mere funktionelle materialer i et begrænset volumen og forbedre emissionslydkildeniveauet. Figur 3f er et andet forbedret nyt design af IV-type flextensionstransduceren, svarende til designforbedringen af type I flextensional transduceren til type III flextensional transduceren, som bruger to elliptiske skaller i serie langs den lange akse retning. grundlæggende frekvenstilstand af bøjningsskallen, hvilket er befordrende for modal kobling for at opnå bredbåndsdriftskarakteristika. Figur 3g er et forbedret nyt design til excitationsvibratoren af ​​IV-type flextensional transducer. Det er en IV-type flextensional transducer drevet af den foldbare vibrator. Denne struktur kombineret med et husmateriale med lav stivhed kan effektivt reducere resonansfrekvensen.

Figur 3 Bøjningsspændingstransducer med søjlestruktur

Det er også kendt som flextensionstransducer af græskartype. Det er undersøgt flextensionstransduceren af ​​græskartypen drevet af PZT og PZT+Terfenol-D. , Simuleringsanalysen af ​​de emissionskarakteristiske parametre for den fælles excitation udføres. Figur 4c er en konkav-rør flex-spændingstransducer exciteret af magnetostriktion-piezoelektrisk kombination. I designet er to excitationselementer, Terfenol-D og PZT, brugt til at danne en sammensat langsgående vibrator. Figur 4d viser den konkave-cylindrede bøjningstransducer. den exciteres af den multi-piezoelektriske stak. Under den forudsætning, at skallen forbliver uændret, og det samlede volumen af ​​det piezoelektriske keramiske materiale er det samme, blev analysen af ​​forskellige antal (1-4) piezoelektriske stakdrev designet og udviklet.

Figur 4 Bøjningsspændingstransducer af lang type med roterende krop

Flad-type roterende kropsbøjningsspændingstransducer. Denne type transducer drives af en radialt ekspanderende vibrator for at drive en rotationssymmetrisk bøjet vibrationsskal. Transducerens vibrerende skal er en rotationssymmetrisk struktur, generelt et par konvekse eller konkave sfæriske hætter (eller sfæriske hætter) eller den er sammensat af en skive, etc., drevet af en radialt ekspanderende ring eller skivevibrator, herunder V-formet flex-tension transducer, VI-formet flex-tension transducer, etc. her Lille størrelse V-type flextensional transducer-Cymbal og disc type flextensional transducer . Figur 5a er en lille V-formet flextensionstransducer. Et par metalendekapper drives af en piezoelektrisk keramisk skive, der vibrerer radialt for at frembringe bøjningsvibrationer; Figur 5b er en skiveformet flextensionstransducer, som bruger PZT- i designet. 4 Den radialt polariserede piezoelektriske keramiske ring driver den buede skive. Skiven er opdelt i 16 lige store sektorer langs den radiale spalte for at reducere koblingen af ​​sidevibrationer. Bøjningstransducerne af disse to strukturelle former har egenskaberne lav resonansfrekvens, lille geometrisk størrelse og høj elektroakustisk effektivitet.

Figur 5 Transducer til bøjningsspænding med flad roterende krop

1.2 Forskningsfremskridt for højfrekvente bredbåndstransducere

Ud over detektionsafstanden som en vigtig indikator for akustisk undervandsudstyr, er en anden udviklingsretning at opnå den maksimale mængde målinformation som hovedformål. For eksempel billedekkolod i høj opløsning, akustisk undervandskommunikation med høj datahastighed osv. Det kræver højfrekvent drift, og arbejdsfrekvensbåndet er så bredt som muligt. Derfor er højfrekvent bredbåndsundervands akustisk transducer blevet en nøglekomponent i systemet, ligesom optik. Billedsystemets linse er den samme.

 

Figur 6a er en højfrekvent bredbåndstransducer med piezoelektrisk keramisk søjle og matchende lag. Forholdet mellem piezoelektrisk keramisk afstand og keramisk størrelse og virkningen af ​​fyldmaterialer på båndbredden studeres. Den dobbelte matchende lag højfrekvente bredbåndstransducer designet i figur 6b bruger piezoelektriske keramiske søjler til at danne et array og tilføjer derefter en dobbelt matchende lagstruktur af metallag og harpiks kompositmateriale for at opnå højfrekvent bredbånds akustisk emissionsydelse. Figur 6c viser den designede 1-1-3 piezoelektriske sammensatte højfrekvente bredbåndstransducer, som består af 1-dimensionelle forbundne piezoelektriske søjler og 1-dimensionale forbundne metalsøjler anbragt parallelt i en 3-dimensional forbundet polymermatrix. Det trefasede piezoelektriske kompositmateriale er dannet, og den højfrekvente bredbåndstransducer er blevet udviklet. Figur 6d viser den designede 1-3 piezoelektriske sammensatte højfrekvente bredbåndstransducer, som bruger koblingseffekten af ​​tykkelsesvibrationstilstanden og førsteordens tværgående vibrationstilstand til at realisere bredbåndsdriftskarakteristikaene. Figur 6e viser den konstruerede piezoelektriske sammensatte ring højfrekvente bredbåndstransducer. Den piezoelektriske kompositring opnås ved radialt at skære den piezoelektriske keramiske ring og hælde epoxyharpiks. Derefter opnås to piezoelektriske kompositringe med forskellige vægtykkelser. Den sammensatte ring er overlejret for at danne en radialt udstrålende dobbeltresonanstransducer.

 

Figur 6 Højfrekvent bredbåndstransducer