Teknologisk innovation i udviklingen af ​​akustiske undervandstransducere(2)

     Teknologisk innovation i udviklingen af ​​akustiske undervandstransducere(2)

Jern-gallium-legering (Galfenol) er en ny type magnetostriktivt materiale, der er dukket op i de senere år. Dens magnetostriktive belastning er mellem nikkel og Terfenol-D, ved 300 ppm (ppm er en mikrovariabel, der repræsenterer ΔL/L=10-6) Ovenfor, sammenlignet med Terfenol-D, har den fordelene ved højere relativ permeabilitet (>100), god bearbejdelighed, høj temperaturstabilitet og høj trækstyrke. Fordi jern-gallium-legeringsmaterialet har god bearbejdningsydelse og høj mekanisk styrke, kan det bruges til at designe og behandle flextensionstransducerhuset. Figur 2b er et forskningseksempel på en konkav cylinder-flextensionstransducer med et hus af jern-galliumlegering. De undervands akustisk transducer er drevet Vibratoren er sammensat af Φ20mm×40mm jern-gallium legeringselementer og neodym-jern-bor permanente magnetplader, og danner et lukket magnetisk kredsløb med den udstrålende skal. De eksperimentelle resultater viser, at transducerens emissionsstrømrespons er 168,4dB (resonansfrekvens 1750Hz), hvilket er bedre end duralumin af samme geometriske størrelse. Husets transducer (resonansfrekvens 1900Hz) er forbedret med næsten 5dB, hvilket afspejler designfordelene ved det aktive hus.

 

Udgivet i 2000, forskningsresultaterne af den magnetostriktive-piezoelektriske fælles excitation bredbånds longitudinelle transducer. Den langsgående transducer drives i fællesskab af Terfenol-D-enheden og PZT-stakken, som realiserer bredbåndsdriften af ​​1,8 KHz og 3,5 KHz dobbelt resonans peak-kobling. Karakteristika, litteraturen rapporterede også, at 4×4 højeffekt planar array sammensat af denne type transducer, lydkildeniveauet for arrayet er større end 225dB i 1,5-6kHz frekvensbåndet.

 

Terfenol-D multi-enhed drev langsgående transducer, forfatteren designet genialt drivenheden, dens struktur bruger en permanent magnet hylster til at påføre et bias magnetisk felt for at adskille det statiske magnetiske felt fra det dynamiske magnetiske kredsløb, og det dynamiske magnetiske. er det fysiske diagram af drivenheden. 4 sådanne drivenheder er mekanisk forbundet i serie for at danne en lavfrekvent langsgående udskiftning med frontdækslet og halemassen. Energienheden, den centrale skrue er forspændt; Fig. 3c er det faktiske billede af transduceren efter emballering, transducerens resonansfrekvens er 1,6 kHz, og lydkildeniveauet er 177bB.

 

Det magnetiske kredsløbsdesign af den magnetostriktive transducer er meget vigtigt. Butler tog den konkave tønde flextensional transducer som et eksempel og sammenlignede arbejdseffekterne af seks magnetiske kredsløbsskemaer gennem finite element analyse. De magnetiske kredsløbsstrukturer i fig. 4a-f er henholdsvis .Kontinuerlig sjældne jordarters stang plus rent jern magnetisk permeabelt tilbehør endedæksel og muffe, kontinuert sjældne jordarters stang plus rent jern gennemtrængeligt tilbehør endedæksel, kontinuert sjældne jordarters stang uden rent jern permeabelt tilbehør, kombination af sjældne jordarters stang og permanent magnet stykke plus ren jern endedæksel og magnetisk permeabel stang og magnetisk permanent endedæksel og magnetstykke. ren jern magnetisk permeabel tilbehør endedæksel, sjældne jordarters stang og permanent magnet stykke kombination uden rent jern permeabel magnetisk tilbehør, de effektive elektromekaniske koblingskoefficienter er beregnet til at være henholdsvis 0,33, 0,30, 0,27, 0,23, 0,21 og 0,20, hvilket indikerer, at den effektive elektromekaniske koefficient for en sjælden jordart er ændret fra en vibrator. kontinuerlig sjældne jordarters stang til en sjældne jordarters stang kombineret med en permanent magnetplade. Endekapperne og ærmerne af rent magnetisk permeabelt tilbehør af jern har en vis effekt på at forbedre den elektromekaniske koblingsydelse af sjældne jordarters vibrator, men for drivmaterialer med lav relativ permeabilitet såsom Terfenol-D er forbedringen lille, og den effektive elektromekaniske koblingskoefficient bestemmes af 0,20 til 0,3273 eller 0,3273 eller 0,3273.

 

 

2. En ny generation af piezoelektriske materialer og deres transducere

Indtil første halvdel af det 20. århundrede var alle piezoelektriske materialer enkeltkrystaller. Polykrystallinsk piezoelektrisk keramisk bariumtitanat blev først opdaget i 1950'erne, efterfulgt af blyzirkonattitanat (PZT) i 1960'erne. Ydeevnen af ​​disse piezoelektriske keramik overstiger langt den for tidlige enkeltkrystaller, og PZT er siden blevet det vigtigste funktionelle materiale af akustiske undervandstransducere.

I midten af 1990'erne blev der opdaget nye piezoelektriske enkeltkrystal blymagnesiumniobat-blytitanat (PMN-PT) og blyzinkniobat-blytitanat (PZN-PT), disse to piezoelektriske enkeltkrystalmaterialer. Det har meget høj mætningsdeformation (mere end 1%), lavt tab, (høj coupling-zo-effektiv) og 9-koefficient. viser de potentielle fordele ved at øge effekten og udvide frekvensbåndet i retning af den akustiske undervandstransducer. I de senere år har det ternære bly indium niobat-bly magnesium niobate-bly titanat (PIN-PMN-PT) og mangan-doteret bly indium niobate-bly magnesium niobate-bly titanat (Mn: PIN-PMN-PT) piezoelektriske enkeltkrystalmateriale, hvilket yderligere forbedrer arbejdsegenskaberne under høje elektriske felter.

Anvendelsen af ​​piezoelektriske enkeltkrystalmaterialer såsom PMN-PT inden for undervandsakustik startede fra design og udvikling af langsgående transducere. Meyer og andre har udført en række forskningsarbejde, herunder detaljeret analyse af 33-mode og 32-mode PMN-PT longitudinelle transducere, og en sammenlignende undersøgelse med PZT-8. Figur 5a er en 33-mode langsgående transducer drevet af en stak af 10 PZT-8 wafere, Figur 5b er en 33-mode langsgående transducer drevet af en stak af 3 PMN-PT wafers, og Figur 5c er en 4 PMN-PT wafere med 4 PMN-PT. transducer. Resultaterne viser, at når PMN-PT og PZT-8 bruges til at lave langsgående transducere med samme frekvens og emissionskildeniveau og andre parametre, er PMN-PT krystallen. Staklængden er kun omkring 30% af PZT-8, hvilket viser de tekniske fordele ved piezoelektriske enkeltkrystalmaterialer til at lave små transducere; 32-tilstanden kan få enkeltkrystalmaterialerne til at blive skåret i overensstemmelse med den bedste ydeevneorientering og samtidig bruge kombinationen af ​​lange strimler. Det kan undgå tekniske problemer såsom dyrkning af store enkeltskiver, forbedre transducerens pålidelighed og konsistens og har indlysende fordele for mellem- og højfrekvente letvægts sonararray-applikationer.

Enkeltkrystal har udviklet en cylindrisk sendetransducer sammensat af indlagte ringe. Hver ring er opbygget af 12 kileformede strimler, og 9 ringe er tæt samlet i aksial retning for at danne en cylinder. Den geometriske størrelse (Φ20,3 mm × 66 mm) Den er betydeligt mindre end den piezoelektriske keramiske transducer med samme frekvens og realiserer bredbåndsarbejdsegenskaberne på mere end 2,5 oktav. Et andet dokument bruger PMN-PT-enkeltkrystal til at udvikle en konkav cylinder-flextensionstransducer. Transducerens drivvibrator er sammensat af en stak af 16 aksialt polariserede Φ28mm×Φ10mm×4,8mm elementer og en titaniumlegering vibrationsskal. Emissionsspændingsresponsen er forbedret med mere end 5dB sammenlignet med den samme strukturtransducer af PZT-4-materiale.

Den trigonale-tetragonale faseovergangstemperatur for PMN-PT-enkeltkrystal er relativt lav, hvilket begrænser dets anvendelsesområde til en vis grad, især til applikationer under højeffektforhold. Det ternære bly indium niobat-bly magnesium niobat-bly titanat (PIN-PMN-PT) og mangan-doteret enkeltkrystal (Mn: PIN-PMN-PT) gør faseovergangstemperaturen for relaxor-ferroelektriske enkeltkrystal tydelig. 0,26 til 0,15, og tabsfaktoren er kun 1/2 af den sædvanlige PZT-4 piezoelektriske keramik. Der er også litteratur, der bruger disse to nye formel-enkeltkrystaller, PMN-PT og PZT-4, til at lave langsgående transducere og sammenligne deres højeffekt-driftskarakteristika, hvilket beviser, at det nye formel-enkeltkrystalmateriale er mere egnet til høj-effekt og store duty cycle-forhold. PMN-PT-transducerens lydkildeniveau er 5dB højere end PMN-PT-transducerens lyd ved resonansfrekvensen. Sammenlignet med PZT-4 piezoelektriske keramik er lydkildeniveauet og effektkapaciteten ved resonansfrekvensen stort set ækvivalente, og arbejdsbåndbredden øges med 1 gang, og det maksimale lydkildeniveau uden for resonansfrekvensen øges med omkring 6dB.

 

Anvendelsesforskningen af ​​PMN-PT enkeltkrystalmateriale fokuserer for det meste på medicinsk højfrekvent ultralydsbilleddannelsessystem. Her er kun ét tilfælde af Cymbal hydro-akustisk transducer applikationsforskning, ved hjælp af Φ12,7 mm×1 mm PMN-PT element til at drive 0,25 mm tykt titanium. Den legerede bøjningsvibrationshætte har udviklet en bøjningsspændingstransducer af lille størrelse Cymbal, som har en 6dB højere emissionsspændingsreaktion end den samme P.ZT transducer end den samme P.ZT transducer.

 

2. Teknisk innovation af akustisk undervandstransducers struktur og teknologi

⒈Teknisk innovation for at forbedre stråleegenskaberne

I moderne ekkolod bruges forskellige grundlæggende arrays generelt til at opnå de nødvendige stråleegenskaber. Men når transducerens installationsåbning er begrænset, og der er særlige krav til stråleegenskaberne, skal der træffes tekniske foranstaltninger for at kontrollere transducerens strålekarakteristika. De vigtigste tekniske tilgange til forbedring omfatter: baffelapplikation, modal superpositionsteknologi ved hjælp af dipoler og multipoler osv. Dette afsnit udvælger nogle typiske forskningseksempler, der fokuserer på analysen og sammenfatningen af ​​brugen af ​​modale superpositionsmetoder for at forbedre transducerens stråleegenskaber Tekniske resultater.

⑴Brug af ledepladen til at forbedre transducerens stråleegenskaber

I det tidlige sonarsystem blev der generelt brugt en uafhængig transducer. Når retningsbestemmelsen ikke kan opfylde kravene, bruges reflektionen af ​​skærmpladen til at styre transmissionsstrålen, som hovedsageligt omfatter passage gennem en flad skærm, en cylindrisk skærm og en sfærisk skærm. Plade- og kegleafskærmning til at ændre retningsvirkningen af ​​cylindriske transducere, stempeltransducere, sfæriske transducere osv. opfylder til en vis grad behovene for envejstransmissionsstrålestyring, som vist i figur 6, brugen af ​​dobbeltkegler. Den reflekterende baffel justerer retningsbestemmelsen af ​​den magnetostriktive toroidale transducer med en radial-side-karakteristisk transducer.

 

Der er litteratur om, at 3kHz type IV flextensionstransduceren er placeret nær fokus på den parabolske reflektorskærm, således at type IV flextensional transduceren med sin egen ikke-direktionalitet kan opnå ensrettede strålingskarakteristika. Forsøget opnår en enkeltvinkelåbningsvinkel på 83°. For strålen er responsforskellen foran og bagpå 21dB.

⑵ Modal kombinationsretningstransducer

Forskellige strukturelle transducere har forskellige multi-orders vibrationstilstande. Resonanstransducere fungerer generelt baseret på den grundlæggende frekvens vibrationstilstand. Forskellige vibrationstilstande vil svare til deres effektive excitationsmetoder, så en kombination af excitationsmetoder kan bruges. Realiser superpositionsdriften af ​​flere vibrationstilstande, for at opnå formålet med at ændre den transmitterende stråles karakteristika. De vigtigste tilstande, der kan ændre transducerens strålekarakteristika gennem kombination, omfatter monopoltilstand, dipoltilstand og kvadrupoltilstand osv. Disse grundlæggende tilstande kan opnå en række forskellige retningsmønstre gennem vægtet kombination. I dette afsnit, kombineret med specifikke litteraturresultater, er der lavet en kort analyse og sammenfatning af procesteknologien og excitationsmetoderne for forskellige strukturelle transducere for at opnå modal superposition.

Excitation multi-mode arbejde anvender generelt partition excitation metoden, såsom: piezoelektrisk keramisk rør eller sfærisk skal anvender ofte split elektrode metoden, se figur 7a, b; magnetostriktiv polygon ( ring) transducer, vedtager uafhængig kant excitation måde.

 

Butler et al. designet og udviklet en 'modal transducer', der stadig bruger designideen om partition excitation, men bryder igennem begrænsningen af opdelingen af uafhængige komponenter, ved at bruge 8 uafhængige 1/4 langsgående vibratorer til at dele halemassen, hver transducer. transducer. Transducerens geometriske størrelse er ikke begrænset af procesbetingelserne for de uafhængige elementer, og den forspændte strukturs længderetning vedtages samtidig. Vibratoren har tekniske fordele til design af lavfrekvente og højeffekts retningsbestemte transducere. Figur 8 viser de grundlæggende modale vibrationsformer for den 'modale transducer'. Modale transducere baseret på PZT-8 piezoelektrisk keramik, PMN-PT enkeltkrystal og Terfenol-D gigantiske magnetostriktive materialer er blevet designet og udviklet hhv. Den har opnået en cardioid retningsbestemt transmitterende stråle med et retningsindeks på 6dB og en 25dB forskel i front-til-bag-respons.

 

Det er en anden type lavfrekvent og højeffekts retningsbestemt emissionstransducer - en zoneexciteret flextensionstransducer. I designet udsættes den piezoelektriske stabel (eller magnetostriktive vibrator) af bøjningsspændingstransduceren for zoneexcitation ved at bruge Kombinationen af ​​monopol- og dipoltilstande overlejret for at danne en cardioid retningsbestemt emissionsstråle. Figur 9a er en 900Hz-direktivitetstype IV-flextensionstransducer, og figur 9b er en 3kHz-direktivitetstype VII-flextensionstransducer.

Litteraturen studerer en bredbånds multimode cylindrisk transducer med en ledeplade (vist i figur 10). Elektroderne på det piezoelektriske keramiske cylindriske rør er ligeligt opdelt i to grupper og exciteres uafhængigt for at opnå en monopol (0-tilstand) og en dipol (1-tilstand), og derefter samarbejde med ledepladen for at realisere den ensidige retningsbestemte emission. Forskningsarbejdet bruger også faseforholdet mellem tilstandene til at designe en uafhængig effektforstærker og tuningkredsløb gennem lavfrekvensen '0+1' og højfrekvensen '0 + 1'. －1' Modal kombinationskontrol realiserer bredbåndsarbejdsegenskaber. Transduceren anvender 4 PZT-4 piezoelektriske runde rør på Φ38.2mm×Φ31.8mm×19mm i højderetningen, og størrelsen efter emballering er Φ48mm×79mm. Bafflen er lavet af kork-semilaminerede stykker. cylindrisk overflade har en tykkelse på 6 mm, og emissionsspændingsresponsen svinger med 6dB i 26-46kHz frekvensbåndet.

2. Teknisk innovation for at forbedre frekvenskarakteristika

Med den multi-direktionelle udvidelse af anvendelsesretningen for akustisk undervandsteknologi er arbejdsfrekvensområdet for aktive ekkolodssystemer løbende blevet udvidet. Blandt dem er arbejdsfrekvensen for højopløsningsbilledekkolod blevet øget til 106Hz, og arbejdsfrekvensbåndet for ultra-langdistancedetektion og kommunikationsekkolod er endnu lavere. Under 100 Hz; på den anden side kræver udviklingen af ​​ekkolodsinformationsbehandling, at transducerens arbejdsfrekvensbånd er så bredt som muligt. Derfor har lavfrekvente transducere og bredbåndstransducere tiltrukket sig stor opmærksomhed inden for det akustiske undervandsfelt i de senere år, og forskningsresultaterne er ret rige. Der er dog stadig mange teoretiske og tekniske problemer, som ikke er blevet løst godt. Dette aspekt vil stadig være forskningshotspot og fokus for fremtidig udvikling. Dette afsnit udvælger forskningsarbejdet i retning af lavfrekvente transducere og bredbåndstransducere og analyserer og opsummerer dem. Innovative ideer og nye teknologiske landvindinger.

⑴ Innovativt design af lavfrekvent transducer

①Bøjningsvibrations lavfrekvent transducer

Det første tekniske problem, som udviklingen af ​​lavfrekvente transducere står over for, er geometrisk størrelse. Generelt er arbejdsfrekvensen af ​​resonanstransducere omvendt proportional med den geometriske størrelse, det vil sige, jo lavere frekvensen af ​​transduceren er, jo større er den geometriske størrelse, såsom 500Hz langsgående konvertering. Længden af ​​energienheden er omkring 3m. Bøjningsvibrationer kan effektivt reducere den geometriske størrelse af lavfrekvente transducere. Blandt dem omfatter transducere, hvis funktionelle enheder direkte deltager i bøjningsvibration, hovedsagelig bøjningsstråletransducere, bøjningsskivetransducere osv.

Figur 11a viser en typisk tre-stablet bøjningsbjælkestruktur. Et stykke piezoelektriske keramiske strimler klistres på toppen og bunden af ​​bøjningsbjælken. Når en af ​​de piezoelektriske keramiske strimler strækkes, og den anden trækker sig sammen, når den exciteres, vil metalbjælken i midten frembringe bøjningsvibrationer. Denne form for energiomdannelse Enheden skal udsættes for vand på den ene side for at udsende lydbølger, så normalt kombineres flere buede stråler for at danne et lufthulrum, som vist i figur 11b, hver udstrålende overflade vibrerer i fase.

 

Et lignende arbejdsprincip kaldes en buet skivetransducer med en skivestruktur, som også omfatter en tre-lags og dobbeltlamineret struktur. Figur 11c viser en kompakt buet skivetransducer sammensat af et par dobbeltlaminerede plader. (Bender). Delany-systemanalyse undersøgte Benders lavfrekvente, lille størrelse og højeffekts driftsegenskaber.

Udviklingen af ​​lavfrekvente transducere til bøjningsvibrationer inkluderer også en ny strukturopdelt toroidal transducer (vist i figur 12). Den delte toroidale transducer kan betragtes som en speciel bøjningsstråletransducer. Den oprindelige struktur blev foreslået af Harris i 1957. Den sammensatte ringstråle var sammensat af en indre piezoelektrisk keramisk ring og en ydre metalring. Modelleringen og analysen af ​​transduceren var baseret på 'stemmegaffelmodellen' vist i figur 12b, og drivelementet blev justeret til en delt struktur. Splitringtransduceren kan designes med en større størrelse, og massen kan justeres gennem tykkelsesfordelingen-stivheden for at opnå optimering af driftsfrekvensen og strålingskarakteristika, som vist i figur 12c.

 

②Bøjningsspændingstransducer

Konceptet med flextensional transduceren startede fra Hayes' patent i 1936. Efter at Toulis offentliggjorde patentet på IV type flextensional transducer i 1966, begyndte forskningen og anvendelsen af ​​flextensional transduceren at være aktiv, og der har været mere end halvdelen af ​​dem indtil videre. I århundrede udviklingshistoriens er forskellige strukturelle former for flextensionelle transducere blevet født, og deres arbejdsprincipper og strukturelle processer er fulde af innovative designideer. Vi kan ikke introducere dem én efter én i den kronologiske rækkefølge af deres udvikling, kun de flextensionelle transducere. Virksomhedens struktur og incitamentmetoder er opdelt i følgende tre kategorier, som kort analyseres og opsummeres.

△Bøjningsspændingstransducer med cylindrisk struktur. Denne type transducer drives af en langsgående teleskopisk vibrator for at translate den bøjelige vibrationsskal, som vist i figur 13. Transducerens vibrerende skal er en translationel struktur, det vil sige en cylindrisk overflade af forskellige former, drevet af en eller flere longitudinelle teleskopiske vibratorer, en er type V transducer II flextenser, en er type IV transducer flextens. enhed, c er en 'stjerneformet' bøjningsspændingstransducer drevet af en ortogonal piezoelektrisk stak, og en 'stjerneformet' bøjningsspændingstransducer drevet af en firsidet magnetostriktiv vibrator. Da denne type transducer er let at designe en opdelt excitationsvibrator, vælger den ovenfor beskrevne retningsbestemte flextensionelle transducer generelt denne type struktur.

△Bøjningsspændingstransducer med lang roterende krop. Denne type transducer drives af en langsgående teleskopisk vibrator til at drive en rotationssymmetrisk bøjet vibrationsskal, som vist i figur 14. Transducerens vibrerende skal er en rotationssymmetrisk struktur, herunder en række tøndebjælker fordelt langs omkredsen, som generelt drives af en langsgående teleskopisk vibrationsskal. fig. 14a og b er de konvekse former af type I flextensional transducer Struktur og konkav struktur; som vist i figur 14c forlænges transducerens langsgående excitationsvibrator i aksial retning for at øge volumenet af det funktionelle materiale til at udvikle sig til en type II flextensionstransducer; som vist i figur 14d, er bøjningsvibrationsskallen udformet i form af to eller flere sektioner, den er udviklet til en type III bøjningstransducer. Både type II og type III flextensional transducere har tilsvarende konkave strukturer.

△Bøjningsspændingstransducer med fladt roterende krop. Denne type transducer drives af en radialt ekspanderende vibrator til at drive en rotationssymmetrisk bøjet vibrationsskal, som vist i figur 15. Transducerens vibrerende skal er en rotationssymmetrisk struktur, generelt et par konvekse eller konkave sfæriske kroner (eller sfæriske kroner), der er drevet af en radial ring eller en skive, figur5, som er drevet af en ring eller en skive. V-type flextensional transducer, b er en wafer-drevet V-type flextensional transducer, c er en type VI flextensional transducer, d og e er små flextensional transducere udviklet på basis af struktur b. Enheden kaldes Cymbal transducer.

△ Kavitetsstruktur lavfrekvent transducer. Helmholtz resonator er den grundlæggende form for hulrumsstruktur undervands akustisk transducer, som vist i figur 16. a, b og c er de tre grundlæggende strukturer af Helmholtz resonatorer, som bruger piezoelektrisk keramisk rør excitation, bøjningsskive excitation og piezoelektrisk keramisk kugle excitation. Helmholtz-resonatorer har generelt et smalt arbejdsfrekvensbånd, og d bruges på basis af b. Den buede skives dobbelte arbejdsflader exciterer resonanshulrummene af forskellige volumener for at realisere dobbeltresonansoperationen. Litteraturen etablerede en mere komplet Helmholtz-resonatoranalysemodel og analyserede forholdet mellem arbejdsegenskaberne og strukturelle parametre for 300HZ Helmholtz-resonatoren. Morozov et al. designet en undervands pibeorgel lydkilde (vist i figur 17). Udformningen af ​​figur 17a realiserer frekvensjustering ved at flytte muffen for at ændre impedansen af ​​resonanssystemet. Afstemningsfrekvensen varierer fra 225 til 325 Hz, og effektiviteten er op til 80 % eller mere, hvilket afspejler systemet med høj Q (kvalitetsfaktor) med højeffektivitetskarakteristika; Figur 17b Designet bruger en dobbeltrørstruktur med en indbygget sfærisk lydkilde for at opnå dobbeltfrekvensresonans. Lavfrekvensresonansen er en hulrumsresonans, der består af en dobbeltsektionshylster. Højfrekvensresonansen er kun den resonans, der svarer til det indre resonansrør. Den ydre ærme og det indre resonansrør kan bruge metallisk aluminium eller ikke-metalliske kulfibermaterialer.

⑵ Innovativt design af bredbåndstransducer

I historien om udviklingen af ​​akustisk undervandsteknologi er der produceret en række forskellige strukturelle former for akustiske undervandstransducere, hver med arbejdsegenskaber bestemt af dens strukturelle egenskaber. For at tilpasse sig de tekniske behov for bredbåndsapplikationer står næsten alle strukturelle transducere over for de tekniske problemer med bredbåndsdesign og procesforbedringer. Blandt dem er den langsgående transducer en af ​​de mest almindelige strukturelle former for transducere inden for undervands bredbåndstransducer . Forskningsresultaterne af bredbåndsdesign og anvendelse er ret rige. De tekniske principper for bredbåndsdesign af andre strukturelle transducere er grundlæggende ens. Dette afsnit fokuserer på en række nye designideer baseret på langsgående transducere for at opnå bredbåndskarakteristika.

① Båndkombination bredbåndslangsgående transducer

Anvendelsen af ​​frekvensbåndskombination er allerede begyndt i den tidlige fase af udviklingen af ​​ekkolodsteknologi. Tidligt arbejde blev set i 1940'erne. Tre magnetostriktive langsgående transducere med forskellige resonansfrekvenser blev brugt til at drive en rektangulær udstrålende plade og seks transducere i et stigearrangement. Drevet af en fælles viklingsspole (vist i figur 18) er transducerens uafhængige resonansfrekvenser henholdsvis 21,5, 23 og 24,5 kHz, Q=12 og Q=4 efter kombinationen. Selvom denne frekvensbåndskombinationsmetode ikke strengt taget er en bredbåndstransducer, er den stadig meget brugt inden for undervandsakustik, især i akustiske systemer såsom støjsimulering og akustiske lokkemidler. Enhedskombinationen realiserer ultra-bredbåndsemissionskarakteristika.

 

② Modal kobling bredbånds langsgående transducer

Forsiden af ​​den langsgående transducer antages normalt at vibrere på samme måde som et stempel i analysen af ​​den endimensionelle model, det vil sige, at der ikke forekommer nogen bøjningsvibration. Når hornet på transducerens udstrålende overflade er relativt bredt, skal det ledsages af bøjningsvibrationer, hvilket er rimeligt. Ved at bruge frontdækslets bøjningsvibrationstilstand til effektivt at koble det med den langsgående vibrationstilstand, kan der designes en bredbånds langsgående transducer. Litteratur har studeret koblingseffekten af ​​bøjningsvibrationer og langsgående vibrationer af den firkantede udstrålende dækplade og designet en bredbåndstransducer. I en anden litteratur er en vibrerende og bøjningsskive indlejret i strålingsdækslet, og bøjningsskiven er koblet med vibrationstilstanden for den langsgående transducer, og bredbåndstransduceren er designet og udviklet som vist i figur 19a. Den piezoelektriske stak af den langsgående transducer kan designes i flere grupper. Som vist i figur 19b er det den grundlæggende struktur af transduceren, der anvender dobbelt excitationsmodal kobling for at opnå bredbåndsdrift. Butler er baseret på strukturen af ​​den dobbelte excitations-langsgående transducer. Dybdegående udvikling, såsom brugen af magnetostriktiv og piezoelektrisk hybrid dobbelt excitation til at designe en bredbånds langsgående transducer, og frontcoveret til at indsætte et 1/4 bølgelængde-tilpasningslag og designe en tredje-ordens resonanstilstandskobling ultra-bredbånds langsgående transducer. 37 kHz.

③Længdebredbåndstransducer koblet med væskehulrum

Det typiske design af koblingen mellem den langsgående transducer og væskehulrummet er Janus-Helmholtz-transduceren (vist i figur 20). Den langsgående transducer anvender en udstrålende struktur med dobbelt ende, kaldet Janus, med en cylindrisk ærme designet til at danne et Helmholtz-resonanshulrum mellem Janus' dobbeltstrålende hoveder; den generelle resonanstransducer med væskehulrum har et smalt arbejdsfrekvensbånd. I Janus fælles applikation kan bredbåndstransmission realiseres gennem optimeret design af modal kobling.

Gall designede to Janus-Helmholtz-transducere, 300Hz og 160Hz, og undersøgte i dybden effekten af ​​at tilføje et kompatibelt rør i Helmholtz-resonanshulrummet på transducerens bredbåndsdriftskarakteristika.

⒊Teknisk innovation for at forbedre styrken af ​​udsendt lyd

Den direkte måde at øge lydstyrken af ​​en akustisk undervandstransducer på er at øge transducerens volumen, øge antallet og danne en tætpakket matrix. Den mest effektive metode er at bruge funktionelle materialer med høj energitæthed. De foregående kapitler har forklaret anvendelsen af ​​funktionelle materialer med høj energitæthed. Dette afsnit fokuserer på de tekniske innovationer i strukturen og processen af ​​højeffekttransducere med lille volumen.

Ved beskrivelse af fordele og ulemper ved transducerens lille størrelse og høje effektegenskaber bruges volumentallet generelt til at måle, nemlig

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Formel ⑴ definerer lydstyrkefaktoren for en bestemt type transducer, hvor: Wa er lydstyrken (W), V er transducerens volumen (m3), f0 er resonansfrekvensen (Hz), Q er kvalitetsfaktoren, Enhedens lydstyrkefaktor er tæt forbundet med strukturen og funktionelle materialer. Delany designede og udviklede en kompakt, buet skive-transducer (Bender) og analyserede og studerede systematisk arbejdsegenskaberne ved Benders lavfrekvente, lille størrelse og højeffektdrift.

 

 

Der er litteratur, der designer den konkave struktur type I (konkav cylindertype) bøjningsspændingstransducer til en mere kompakt kombination, som gør det muligt for flere transducerklynger i et begrænset volumen at maksimere volumenforskydning og opnå store effektkarakteristika, som vist i figur 21, spidsen af 6 type I flextensionelle transducere er sammensat til en 'seks-punkts'-klynge. flextensional transducer, som har karakteristika af kompakt struktur, lav frekvens, høj effekt og bredt frekvensbånd: fundamental resonansfrekvens Sendespændingsresponsen ved 1,15kHz er 127dB, rundstrålende, og sendespændingsresponsen fra 800Hz til 10kHz er større end 120dB. FOMv-parameteren er ikke angivet i litteraturen, og den forventes at være ækvivalent med eller højere end den 'stjerneformede' flextensionelle transducer.

Ovenstående design og analyse for forfølgelsen af ​​lille størrelse og høj effekt starter dybest set fra de elektriske og mekaniske grænser og tager kun hensyn til energitætheden af ​​funktionelle materialer og vibrationsgrænsen for strukturen. Når transduceren kræver lang puls eller kontinuerlig drift, vil varme- og varmeafgivelsen af ​​transduceren være det største problem under høje strømforhold. På dette tidspunkt er den termiske grænse den vigtigste faktor, der begrænser transducerens ultimative effekt. Transducerens termiske grænse er et af de vigtige grundlæggende spørgsmål, der er bekymrede inden for teknik. Ligesom procesdetaljerne for transduceren er der ikke mange offentligt rapporterede forskningsartikler. Der er litteratur til at modellere og analysere de termiske problemer ved lavfrekvente og højeffekttransducere og diskutere de termiske ledningsproblemer for Janus-Helmholtz og Type IV flextensional transducere. Når transduceren arbejder på lavt vand, især lavfrekvent og høj effekttransmission, vil en forøgelse af lydeffekten også være begrænset af den akustiske grænse for kavitationsfaktoren. Under denne baggrund er metoden til at øge effekten af ​​en enkelt transducer ikke længere effektiv. Basisarrayet vil også være begrænset, så der kun er én måde at danne et sparsomt basisarray på.

Derfor er det, når man designer lavfrekvente og højeffekttransducere, nødvendigt at rationelt vælge den strukturelle form og drivfunktionsmaterialer under hensyntagen til faktorer som elektrisk grænse, mekanisk grænse, termisk grænse og akustisk grænse, og foretage en overordnet analyse og omfattende optimering. Der er et optimalt forhold mellem grænseeffekten og transducerens volumen. Dybdegående forskning i dette vil være en af ​​de tekniske retninger for lavfrekvente og højeffekttransducere i fremtiden.

 

⒋Teknologisk innovation for at øge modstanden mod hydrostatisk tryk

På nuværende tidspunkt har det akademiske samfund foreslået udviklingsideer såsom gennemsigtige oceaner og informatiserede oceaner. Målet er at tillade undervandsinformationsteknologi at dække alle hjørner af havet, inklusive polare områder og afgrundsgrave. Derfor fremsætter de krav til brugen af ​​akustiske undervandstransducere i større dybde. Selv udfordre evnen til at arbejde på dybt hav. Transducerens hydrostatiske trykmodstandskapacitet er tæt forbundet med transducerens struktur, især for lavfrekvente emissionstransducere med lav strukturel stivhed. Løsning af den hydrostatiske trykmodstandsstrukturteknologi er blevet et vigtigt emne i det nuværende transducerteknologifelt. De nuværende effektive metoder og midler til at løse arbejdsdybden omfatter hovedsageligt væskepåfyldning, kompatibel rørtilpasningsvæskepåfyldning, naturlig strukturel støtte, højtryksgascylinderkompensation, airbagkompensation osv., ved arbejdsdybder over 1000m, den eneste effektive tekniske metode er væskepåfyldningsteknologi, inklusiv Den frie overløbstype bruger direkte havvands- eller påfyldningsmedier til påfyldning af olie som selvpåfyldende olietryk; inden for 1000 m kan det trykfaste overensstemmelsesrør bruges i væskehulrummet på samme tid for at forbedre overensstemmelsen af ​​væskehulrummet; Inden for 200 m kan strukturens naturlige støtte modstå hydrostatisk tryk. Nogle transducere med meget lav strukturel stivhed (såsom bevægelige spoletransducere) kan bruge højtryksluftcylindre til at give trykkompensation. Generelt inden for 100 m kan airbagkompensation bruges. Kavitetsstrukturtransduceren introduceret ovenfor kan generelt udformes som en væskefyldt arbejdstilstand for at opnå dybtvandsarbejde. I dette afsnit er der givet flere anvendelseseksempler på design af oliefyldte strukturer.

 

Kendigs forskningsarbejde udgivet i 1965, kombineret anvendelse af 4 PZT-4 piezoelektriske keramiske skivedrevne langsgående transducere, fyldt med silikoneolie for at beskytte hulrummet mellem stålskallen (inklusive den lydtransmitterende gummiplade) og transduceren Hulrummet er forbundet med det bagerste væskekammer. Det forreste lydgennemtrængelige gummi og det bageste gummivindue er i kontakt med havvand for at opnå intern og ekstern trykbalance. Transducerens arbejdsbåndbredde er 30-50 kHz, og arbejdet inden for det hydrostatiske trykområde på 0-6,9 MPa er blevet eksperimentelt undersøgt. Karakteristisk er denne trykbalancemetode stadig brugt i mange dybvands sonararrays. Figur 22b viser en toroidformet transducer med frit overløb med en oliefyldt struktur. Den piezoelektriske keramiske ring er ophængt i en polyurethan-gummi-manchet, og indersiden er fyldt med silikoneolie for at opnå trykbalance med omverdenen. Polyurethan-gummi-manchetten er ideel lydtransmitterende materiale, denne type transducer har lignende arbejdsegenskaber som den direkte infusionsbelægningsform af polyurethan-gummi. For PZT-4 runde rør Φ 150 mm × Φ 140 mm × 50 mm, simuleringsanalyse og eksperimentundersøgelse af polyurethan gummi i frekvensområdet 5 ~ 10 kHz Materialet i muffen er erstattet med titanlegering eller stål. Som et resultat reducerer titanlegeringen emissionsspændingsresponsen med omkring 6dB, og stålet reducerer emissionsspændingsresponsen med omkring 12dB.

 

3. Konklusion

Når man ser på transducerteknologiens hundredeårige udviklingshistorie, fra fødslen af ​​den første piezoelektriske transducer til den kraftige udvikling af moderne transducerteknologi, er teknologiske innovationer inden for akustiske undervandstransducere ofte dukket op. Hovedmålene for innovation og udvikling af transducerteknologi omfatter: forenkling af komplekse processer, bryde gennem tekniske flaskehalse, omskrivning af tekniske grænser, forbedring af omfattende teknisk ydeevne, forslag til nye koncepter og nye mekanismer, generering og udvikling af nye tekniske retninger og uddybning og perfektion af teorien om transducerdiscipliner System og så videre. Denne artikel introducerer nogle forskningscases, der afspejler transducerens innovative design og udsøgte håndværk fra aspekter af ny materialeanvendelse, ny transducerstruktur og -teknologi osv.