Teknologisk innovation i udviklingen af ​​akustiske undervandstransducere(1)

Teknologisk innovation i udviklingen af ​​akustiske undervandstransducere

 

 

70,8 % af jordens overflade er havet. Det store hav er det største skattehus af ressourcer på jorden, og havet er også en vigtig position for internationale militære kampe. Forskning, udvikling og udnyttelse af havet er uadskillelige fra lydbølger. Lydbølger er den eneste informationsbærer, der kan rejse lange afstande i havet. Udforskning og udvikling af marine ressourcer, undervandskommunikationstransducer og navigation af skibe, detektering og genkendelse af undervandsmål, miljøovervågning og naturkatastrofer og så videre er alt sammen afhængigt af akustisk undervandsteknologi. Udviklingen af ​​akustisk undervandsteknologi kræver støtte fra alle slags akustiske undervandstransducere. Missionen for akustiske undervandstransducere er at transmittere og modtage lydbølger under vandet, så det kaldes 'øjne og ører på undervandsakustisk udstyr', som kan siges at være akustiske undervandstransducere. Fødslen af ​​'H' markerer begyndelsen på udviklingen af ​​hydroakustisk teknologi. Hydroakustiske transduceres tekniske fremskridt er en vigtig forudsætning og grundlag for den hurtige udvikling af hydroakustisk teknologi(1)

 

De akustisk undervandstransducer er ikke et simpelt isoleret emne, men et tværfagligt teknisk område. De nært beslægtede fag omfatter hovedsageligt: ​​fysik, materialevidenskab, matematik, mekanik, elektronik, kemi, mekanisk videnskab osv., så undervandsakustik Selvom transduceren kun har en historie med mere end hundrede års udvikling, er den nu blevet et levende fagfelt. Det presserende behov fra området for hydroakustisk teknologi er den direkte drivkraft for udviklingen af ​​hydroakustiske transducere, og udviklingen af ​​funktionelle materialer og teknologiske fremskridt er det vigtigste materialegrundlag for udviklingen af ​​hydroakustiske transducere. Gennem hele udviklingshistorien for hydroakustiske transducere, for i størst muligt omfang at imødekomme de stadigt stigende tekniske krav inden for hydroakustik, bliver de tilsvarende funktionelle materialer konstant opdateret. Folk har udført speciel anvendelsesforskning omkring egenskaberne af forskellige funktionelle materialer og designet nye teknologier og nye strukturer er blevet foreslået, som har forbedret og forbedret transducerens omfattende tekniske ydeevne, hvilket har muliggjort en endeløs strøm af innovative forskningsresultater på transduceren. Forfatteren udvælger nogle typiske forskningseksempler på affyringstransducere, analyserer og opsummerer de innovative ideer i dette forskningsarbejde fra flere forskellige vinkler og håber at give unge forskere en vis vejledning og oplysning og aktivt udforske de dybe aspekter af klassisk forskningsarbejde.

 

1. Teknisk innovation af akustisk undervandstransducer baseret på funktionelle materialer

 

I 1915 brugte Paul Langevin fra Frankrig og andre en kondensatortransmitter og en kulpartikelmodtager til at udføre akustiske undervandseksperimenter. Disse to sende- og modtageenheder bør være primitive akustiske undervandstransducere; 1917 ～ 1918 Langevin Zhiwan designede og forbedrede kvartstransduceren. Dens vibrator er sammensat af flere piezoelektriske kvartsplader, der er klemt mellem to tykke stålplader. Denne struktur kaldes Langzhiwan transducer. Da naturlig kvarts ikke kan imødekomme den stadigt stigende efterspørgsel, blev det konstateret, at det vandopløselige syntetiske piezoelektriske krystal Rochelle salt har en stærkere piezoelektrisk effekt end kvarts, men dets stabilitetsproblem begrænser anvendelsesområdet, og piezoelektriciteten er lidt ringere. Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP)-krystaller blev på grund af deres relativt stabile egenskaber meget brugt i Anden Verdenskrig. I 1920 blev den magnetostriktive effekt anvendt i akustiske undervandstransducere; i 1925 blev nikkel magnetostriktive transducere designet og anvendt; i 1931 førte den dybtgående undersøgelse af tynde nikkelplader til den hurtige udvikling af magnetostriktive transducere. Og gradvist erstattet piezoelektriske krystal transducere; i 1944 blev det opdaget, at bariumtitanat-keramik har stærk piezoelektricitet efter polarisering, og dets tab er meget mindre end for magnetostriktive materialer. Senere bariumtitanat piezoelektriske keramiske transducere Det har udviklet sig hurtigt; den polariserede bly zirconate titanate keramik (PZT) opdaget i 1954 har stærkere piezoelektricitet. Den dag i dag er PZT piezoelektrisk keramik stadig de vigtigste funktionelle materialer i akustiske undervandstransducere.

 

I 1970'erne udviklede Dr. Clark AE i USA den gigantiske magnetostriktive ternære legering af sjældne jordarter Terfenol-D. Siden 1990'erne er de afslappende ferroelektriske enkeltkrystalmaterialer PZN-PT og PMN med højspændingselektriske egenskaber og høj energitæthed -PT blevet opdaget efter hinanden, og nye gennembrud er blevet gjort i anvendelsesforskningen af ​​disse tre materialer. Dette afsnit vil fokusere på forskningsresultaterne af disse nye funktionelle materialetransducere.

 

⒈En ny generation af magnetostriktive materialer og deres transducere

Den nye generation af magnetostriktive materialer omfatter sjældne jordarters legeringsmaterialer og sjældne metallegeringsmaterialer. Den gigantiske magnetostriktive effekt af sjældne jordarters legeringsmaterialer blev først opdaget under lave temperaturforhold. Den højeste magnetostriktive belastning af Tb0.6Dy0.4-materialet ved 77K er 0,65 %, og den højeste magnetostriktive belastning af Terfenol-D ved stuetemperatur er 0,25 %. Der er dokumenter, der viser, at der er udviklet en magnetostriktiv dual-stempel longitudinelle transducer drevet af en superledende spole. Den sjældne jordarters (terbium-dysprosium) legerings magnetostriktive stang placeres i et klimaanlæg (temperatur 50-60K), og køletårnet cirkuleres og afkøles af køleskabets køletårn. I rummet tilvejebringer en superledende materialespole et DC-forspændingsmagnetfelt og et magnetisk excitationsfelt for at excitere den magnetostriktive stang for at generere strækvibrationer og overføre den til den udstrålende overflade af stempeltypen gennem det mekaniske overgangsstykke. Den udstrålende overflade af stempeltypen skubber vandmediet for at generere trykbølger til stråling. 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: resonansfrekvensen er 430Hz, det maksimale lydkildeniveau er 181,4dB, og effektiviteten er omkring 25%. Denne undervands hydrofon transducer komplicerer fremstillingsprocessen for at opnå lavtemperatur arbejdsforhold. I de senere år er folk villige til at bruge Terfenol-D-materialet, der fungerer ved stuetemperatur for at forenkle fremstillingsprocessen, samtidig med at de opnår fremragende strålingsydelse med en ny struktur.

 

Det er den Terfenol-D drevne ottekantede transmitter transducer færdiggjort af Butler svarende til 1980. 16 sjældne jordarters stænger er arrangeret i to lag, og 8 sjældne jordarters stænger i hvert lag er forbundet til en ottekant gennem en kileformet overgangsblok og danner et lukket magnetisk kredsløb, overgangsblokken af den 4. vinkelflade er forbundet med den udstrålende del af den 4. og den sjældne jordart er forspændt gennem højstyrke spændingstråde mellem overgangsblokkene. Den indvendige forspænding af den sjældne jordarters stang er omkring 13,8 MPa, og transducerens resonansfrekvens i vand Ved 775 Hz blev den ikke-lineære drivning under DC bias magnetfelttilstanden og den upartiske felttilstand sammenlignet, og lydkildeniveauet 189,8dB under DC bias magnetisk felttilstanden blev realiseret under DC bias magnetisk felttilstanden og 19 drevet ikke-onlinearbiadB drevet under 19. hhv.