نوع جدید مبدل آکوستیک زیر آب و فناوری جدید مبدل

امواج آکوستیک تنها حاملی است که انسان در اختیار دارد که می تواند اطلاعات و انرژی را در مسافت های طولانی در اقیانوس وسیع منتقل کند. در زمین، مردم از امواج الکترومغناطیسی برای توسعه رادارها استفاده می کنند. به طور مشابه، مردم از امواج صوتی به عنوان حامل اطلاعات برای توسعه اهداف زیر آب برای شناسایی، و تجهیزات الکترونیکی برای موقعیت یابی، شناسایی و ارتباطات سونار استفاده می کنند. در مواجهه با اقیانوس وسیع، سونار ماموریت مهمی را بر دوش می‌کشد که به تمام گوشه‌های اقیانوس وسیع می‌رسد، چیزهای مختلفی را در آن شناسایی می‌کند، که چهره واقعی دنیای زیر آب را به مردم می‌گوید، و به مردم در کشف اسرار اقیانوس کمک می‌کند، تا به ناوبری ارتباطی زیر آب، ماهیگیری در آب، چرایی توسعه منابع دریایی و منطق شناسی دریایی تبدیل شود. بهترین حامل اطلاعات زیر آب این است که در رسانه های آبی، امواج صوتی در مقایسه با سایر میدان های فیزیکی مانند امواج الکترومغناطیسی کمترین ضریب تضعیف را دارند و می توانند در فواصل طولانی منتقل شوند. این مزیت باعث می شود سونار با استفاده از امواج اولتراسونیک از ابتدا زیر آب را رصد کند. هدف شروع می شود و به رشد خود ادامه می دهد. در حال حاضر، باند فرکانس کاری سونار به طیف گسترده ای گسترش یافته است. سونار فعال از ده‌ها هرتز به ده‌ها مگاهرتز گسترش یافته است و انتهای فرکانس پایین سونار غیرفعال به محدوده مادون‌صوت گسترش یافته است. در چنین باند فرکانسی وسیعی، طبق مقررات، دستگاه مهمی که امواج صوتی را به صورت سیگنال و حواس تحریک و تولید می کند و امواج صوتی را در آب بدون اعوجاج دریافت می کند، مبدل سونار یا آرایه سونار نامیده می شود. این دستگاه ها تجهیزات جلویی سیستم سونار و همچنین 'پنجره' برای سیستم سونار برای تعامل با محیط آبی و تبادل اطلاعات هستند و 'واقع کننده' عملکرد سیستم سونار برای مبدل های سونار یا آرایه های سونار هستند که به وضوح به عنوان 'سیستم چشم و گوش' از آن یاد می شود. با گسترش مستمر حوزه کاربرد فناوری سونار و تقاضای روزافزون برای رویارویی و نبرد نظامی، اصول جدید، فناوری های جدید و تجهیزات جدید سونار یکی پس از دیگری یکی پس از دیگری پدیدار شده است. الزامات توسعه فناوری جدید سونار باعث توسعه سریع فناوری مبدل ها شده است و همین پیشرفت های فناوری در زمینه مبدل ها و توسعه مواد جدید، مکانیسم های جدید و ساختارهای جدید مبدل‌های صوتی زیر آب نیز سیستم سونار را «طراوت‌کننده» کرده‌اند. در اینجا یک مرور مختصر از وضعیت توسعه فناوری مبدل در سال های اخیر بر اساس اطلاعاتی که نویسنده در اختیار دارد و سطح محدود درک آن است. این عمدتا شامل مبدل هیدروآکوستیک مواد جدید، ساختار جدید و مکانیسم جدید مبدل هیدروآکوستیک، نوع جدید هیدروفون، فناوری مبدل باند پهن و غیره است.

 

2 مبدل آکوستیک زیر آب مواد جدید

 

مبدل وسیله ای است که تبدیل انرژی را در سیستم سونار انجام می دهد. در مبدل ماده خاصی وجود دارد که قابلیت تبدیل انرژی را دارد. به این ماده ماده کاربردی می گویند. مواد کاربردی مورد استفاده برای ساخت مبدل‌ها عمدتاً شامل مواد پیزوالکتریک (مانند کریستال‌های پیزوالکتریک، سرامیک‌های پیزوالکتریک، پلیمرهای پیزوالکتریک و غیره) و مواد مغناطیسی (مانند نیکل، کبالت، آلیاژهای نیکل-آهن، فریت‌ها، عناصر خاکی کمیاب و غیره) هستند. اثر مغناطیسی برای تحقق تبدیل متقابل بین انرژی میدان الکتریکی یا انرژی میدان مغناطیسی و انرژی مکانیکی. پیشرفت تکنولوژی مبدل اساساً توسط پیشرفت تکنولوژیکی مواد کاربردی تعیین می شود. در سال های اخیر، دستاوردهای فنی مختلف در زمینه مواد کاربردی نیز باعث پیشرفت فناوری مبدل شده است. دکتر کشف کرد که مواد خاکی کمیاب لانتانید دارای خواص مغناطیسی شگفت انگیزی هستند، اما در عمل از آنها استفاده نشده است زیرا نقطه کوری کمتر از دمای اتاق است. بعدها مشخص شد که آلیاژهای دوتایی، سه تایی یا چهارتایی متشکل از عناصر خاکی کمیاب و آهن نیز دارای خواص مغناطیسی غول پیکر در دمای اتاق هستند. نماینده ترین آلیاژ خاکی کمیاب ترفنول-D است (ترکیب Tb0.27Dy0.73Fe1 است). 95)، به نوع جدیدی از مواد کاربردی تبدیل شده است که از دهه 1980 توجه زیادی را به خود جلب کرده است. فروالکتریک تک کریستال منیزیم سرب نیوبات-تیتانات سرب (PMN-PT) و سرب نیوبات سرب تیتانات (که PZN-PT نامیده می شود) انواع جدیدی از مواد کریستال پروسکایت کامپوزیت هستند، و همچنین در حال ظهور یک کلاس از مواد کاربردی جدید با چشم انداز کاربردی عالی هستند. قبل از این، نیکل معمولاً به عنوان ماده ای برای مبدل ها استفاده می شد. در سال 1917، دانشمند فرانسوی Langevin یک مبدل سونار با کریستال کوارتز ساخت، که سابقه ای برای کاربرد مواد پیزوالکتریک در سونار در دهه 1940 ایجاد کرد، سرامیک BaTiO3 pzt با خواص پیزوالکتریک قوی با موفقیت توسعه یافت و به طور گسترده در سیستم های سونار استفاده شد. سرامیک های پیزوالکتریک PZT که در دهه 1950 توسعه یافتند دارای محدوده دمای عملیاتی گسترده و خواص الکترومکانیکی عالی هستند. راندمان تبدیل کمبود سرامیک Ba TiO3 را جبران می‌کند و زمانی به ماده انتخابی مبدل‌های صوتی زیر آب تبدیل شد. در میان آنها، ماده سرامیکی پیزوالکتریک با چگالی انرژی بالا PZT-8 است. یک مقایسه ساده از مواد فوق: ترفنول-D، PMN-PT، PZN-PT می توانند فشاری حدود 5 برابر PZT-8 و 50 برابر نیکل ایجاد کنند. ثابت پیزوالکتریک PMN-PT و PZN-PT d33 است. 6-8 برابر مواد PZT-8 است. استفاده از این مواد pzt برای توسعه مبدل های صوتی جدید زیر آب یکی از موضوعات داغ فعلی است.

 

مواد مغناطیسی تنگ کننده از مبدل صوتی سیلندر زیر آب نادر است، که مواد مغناطیسی غول پیکر زمین از اثر مغناطیسی برای تحقق تبدیل متقابل بین انرژی میدان مغناطیسی و انرژی مکانیکی استفاده می کند و عمدتاً برای توسعه مبدل های انتشار صوتی زیر آب با فرکانس پایین و توان بالا استفاده می شود. این یک نوع ساختار 'پیچیده' مبدل هیدروآکوستیک مغناطیسی رسانای فوق العاده با دمای بالا مبدل است. از منظر ساختار مبدل، ساختار آن بسیار ساده است. این یک مبدل طولی دو رادیاتور معمولی است. اصطلاح «مختلط» در اینجا به مفهوم فیزیکی غنی آن اشاره دارد. قدرت مغناطیسی مواد آلیاژی خاکی کمیاب در دمای پایین بیشتر از دمای اتاق است. به عنوان مثال، حداکثر کرنش مغناطیسی Tb0.6Dy0.4 در دمای 77K 0.65٪ است، در حالی که Terfenol-D در دمای اتاق است. بیشترین کرنش مغناطیسی 0.25٪ است. یک مبدل هیدروآکوستیک مغناطیسی با مواد Tb0.6Dy0.4 با محدوده دمایی 50 تا 60 کلوین ساخته شد: مواد میله‌ای شکل آلیاژ خاکی کمیاب در اتاق تهویه مطبوع قرار می‌گیرند و برج خنک‌کننده یخچال به‌صورت چرخه‌ای خنک می‌شود و اتاق تهویه مطبوع توسط یک سوپر کانکتور ارائه می‌شود. میدان مغناطیسی بایاس و میدان مغناطیسی تحریک، میله مغناطیسی را تحریک می کند تا ارتعاش کششی ایجاد کند، که از طریق قطعه انتقال مکانیکی به سطح تابشی پیستونی منتقل می شود، و سطح تابشی پیستونی، محیط آب را برای تولید تابش موج فشار فشار می دهد. یک محفظه خلاء در ساختار طراحی شده است تا انتقال حرارت را جدا کند. دیواره بیرونی محفظه خلاء یک پوشش گنبدی شکل مقاوم در برابر فشار است که می تواند فشار 10 اتمسفر را تحمل کند. پارامترهای فنی اصلی به شرح زیر است: فرکانس رزونانس 430 هرتز، حداکثر سطح منبع صدا 181. 4db، بازده حدود 25٪ است. فرآیند ساخت این نوع مبدل پیچیده است. در سال های اخیر، مردم هنوز مایل به استفاده از مواد ترفنول-D هستند که در دمای اتاق کار می کند، برخی از فشارهای مغناطیسی را کنار می گذارند و آن را با ساختار جدیدی جایگزین می کنند تا به عملکرد تابشی عالی دست یابند. در زیر مقدمه‌ای کوتاه بر پیشرفت تحقیقاتی چندین ماده مغناطیسی ساختاری در مبدل‌های صوتی زیر آب است. مبدل طولی ساختار ساده ای دارد. میله مغناطیسی با توده سر و دم تابشی جلو ترکیب می شود تا یک سیستم ارتعاشی یک بعدی مشابه را تشکیل دهد. سر تابش جلو معمولاً از مواد سبک وزن ساخته شده است و توده دم معمولاً از مواد متراکم برای دستیابی به سطح تابشی ساخته شده است. خروجی جابجایی ارتعاش بیشتر دو مبدل طولی توسعه یافته با مواد ترفنول-D معرفی شده اند. یکی یک مبدل طولی عمومی با فرکانس تشدید 1200 هرتز، توان صوتی 3 کیلو وات و وزن مبدل 60 کیلوگرم است. دیگری میله خاکی کمیاب در دو انتها است. به عنوان یک مبدل طولی تابشی دو طرفه شیپوری طراحی شده است، فرکانس تشدید 400 هرتز، قدرت صدا 1.5 کیلو وات و وزن مبدل تا 100 کیلوگرم است. مبدل حلقه ای شکل: یک چند ضلعی منظم که توسط تعدادی میله خاکی کمیاب احاطه شده است و یک سری از سطوح قوس دایره ای توسط قطعه انتقال تحریک می شود تا ارتعاشات شعاعی ایجاد کند تا به تابش صوتی با قدرت بالا برسد. مجموعه‌ای از مبدل‌های حلقوی کم‌توان با فرکانس پایین خاکی کمیاب شامل مبدل‌هایی با فرکانس تشدید 200 هرتز (قطر داخلی 0.56 متر، قطر بیرونی 0.94 متر، ارتفاع 0.37 متر، سطح منبع صدا 193 دسی‌بل، وزن 410 کیلوگرم) و یک مبدل با فرکانس 20 متر Hz (قطر 30 رزونانس) و 1.1 متر، سطح منبع صدا 195 دسی بل، وزن 5 تن). مبدل انعطاف پذیر نوعی مبدل است که از ارتعاش طولی پشته سرامیکی پیزوالکتریک یا میله مغناطیسی برای تحریک سطح تابش پوسته (یا پرتو بشکه) با اثر تقویت دامنه برای ارتعاش خمشی استفاده می کند. چندین مبدل پرکاربرد فهرست شده اند انواع مبدل های انعطاف پذیر، که در بین آنها I، II و III دارای ویژگی های یکسانی هستند. میله ارتعاشی طولی یک پوسته منحنی متقارن چرخشی را تحریک می کند. پوسته می تواند یک سازه پیوسته یا سازه ای باشد که به صورت گروهی از تیرها بریده می شود. پورسل از ماده Terfenol-D برای توسعه یک مبدل تنش خمشی پرتوی مقعر (نوع III)، با فرکانس تشدید 1300 هرتز، سطح منبع صدا 188.7 دسی بل و پهنای باند 600 هرتز استفاده کرد. به دلیل استفاده از یک مدار مغناطیسی باز تک میله ای، فرکانس تشدید حداکثر بازده الکتروآکوستیک AC تنها 7٪ است و وزن مبدل 2.7 کیلوگرم است. مبدل های انعطاف پذیر لب ماهی ویژگی های مشترکی دارند. مبدل توسط یک میله ارتعاشی طولی برانگیخته می شود تا پوسته بیضوی محدب یا مقعر را خم کند تا به تابش پرقدرت برسد. مبدل خمشی لب ماهی از اثر تقویت دامنه استفاده می کند. اثر وزن دهی با مساحت، قدرت تابش صوت را افزایش می دهد. گزارش این نوع جدید مبدل صوتی با فرکانس پایین و پرقدرت زیر آب، شامل فرکانس تشدید 210 هرتز، 450 هرتز، 800 هرتز و 1200 هرتز، نتایج تحقیقات این نوع جدید مبدل در حال حاضر در سیستم‌های دارای منبع صوتی با فرکانس پایین آکوستیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. و شبیه سازهای نویز

 

مبدل آکوستیک زیر آب مواد فروالکتریک آرامش بخش

 

مواد فروالکتریک ریلکسور نوعی مواد کاربردی بالقوه هستند که می توان آنها را به انواع سرامیکی الکترواستریکتیو و تک کریستالی فروالکتریک شل کننده تقسیم کرد. فرآیند تولید تک بلورهای فروالکتریک شل کننده بسیار پیچیده تر از مواد سرامیکی الکتریکی است. محققان از این مواد برای ساخت بسیاری از مبدل ها مانند مبدل های خمشی، مبدل های طولی و غیره استفاده کرده اند. تکنولوژی ساخت مبدل در این نوع مواد پیچیده تر است و لازم است میدان الکتریکی بایاس DC اضافه شود، پیش تنیدگی اعمال شود و دمای فرآیند کنترل شود. استفاده از سرامیک های الکترواستریکتیو PMN-PT-BT (نیوبات منیزیم سرب-تیتانات سرب-تیتانات باریم) مبدل انعطاف پذیر نوع IV را توسعه داد. نتایج تحقیق نشان می دهد که مبدل توسعه یافته پتانسیل مواد را به حداکثر نرسانده است. این اثر همچنان یکی از نقاط داغی خواهد بود که برای مدتی باید در زمینه مبدل های صوتی زیر آب مورد بررسی قرار گیرد. استفاده از مواد تک کریستالی فروالکتریک شل کننده PMN-PT برای مطالعه 64 کانال کاوشگر اولتراسوند 3.5 مگاهرتز، که در تجهیزات تصویربرداری اولتراسوند رنگی سونوگرافی B و داپلر پزشکی استفاده می شود، که نشان می دهد مواد تک کریستالی فروالکتریک شل کننده در سونار تصویر با فرکانس بالا.

 

فیلم پلیمری پیزوالکتریک از مبدل آکوستیک کروی زیر آب را می توان به یک غشای انعطاف پذیر تبدیل کرد و هنگام ساخت مبدل می توان مبدل را به هر شکلی طراحی کرد و امپدانس صوتی ماده کم است و به راحتی می توان به امپدانس با آب و سایر رسانه های سیال و بافت های بیولوژیکی دست یافت. تطبیق، که اغلب برای ساخت هیدروفون های استاندارد با فرکانس بالا، مبدل های فرکانس بالا، مبدل های اولتراسوند پزشکی، آرایه های منسجم و آرایه های مبدل کامپوزیتی متنوع استفاده می شود، پلیمر پیزوالکتریک رایج برای ساخت مبدل ها عمدتاً پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) است. در حال حاضر، فیلم ماده پلیمری پیزوالکتریک EMFi (مخفف electro mechanicalfil) چشم نوازتر، نوعی فیلم انعطاف پذیر فوم پلی پروپیلن است، ثابت پیزوالکتریک آن حدود 10 برابر PVDF است که می تواند برای ساخت مبدل های با حساسیت بالا استفاده شود. ساختار مبدل لایه نازک EMFi دارای قطر سطح دریافتی 35 میلی متر است و حساسیت دریافت کننده مبدل بیشتر از -190dB است (مقدار مرجع 1V/μPa است). این نوع مبدل همچنین می تواند در هوا برای دریافت یا انتشار امواج صوتی استفاده شود.

 

معرفی ساختار جدید مبدل آکوستیک زیر آب و مکانیسم های مختلف انتقال. مواد کاربردی در مبدل مهم هستند، اما باید توسط یک ساختار مناسب پخش شوند. بنابراین، به نظر می رسد طراحی ساختاری مبدل در توسعه فناوری مبدل اهمیت ویژه ای دارد. مهم است. با توجه به زمینه‌های کاربردی مختلف و الزامات فنی مختلف، یا با توجه به ویژگی‌های مکانیزم‌های مختلف انتقال و مواد عملکردی، انواع مختلفی از مبدل‌ها یکی پس از دیگری تولید شده‌اند که بسیاری از آنها فناوری‌های چند رشته‌ای را ترکیب می‌کنند تا به طور مشترک مشکلات فنی را برای رفع برخی الزامات فنی خاص ایجاد کنند. مبدل هیدروآکوستیک مغناطیسی تنگ کننده ابررسانا با دمای بالا یک مثال معمولی است. در مطالب پیشین این مقاله و انواع مبدل هایی که بعدا معرفی می شوند، بسیاری از آنها نیز ساختارهای جدید و مکانیسم های جدید مبدل های صوتی زیر آب هستند. برای تکرار نشدن، این بخش تنها به دو نمونه طراحی دیگر از سازه های جدید اشاره می کند.

 

ترانسدیوسر نوع سنج (Cymbal) نوعی مبدل ساختار جدید مشابه مبدل انعطاف پذیر است. هر مبدل نوع سنج شامل یک جفت دیسک سرامیکی پیزوالکتریک PZT و یک درپوش فلزی به هم چسبیده است. دیسک سرامیکی پیزوالکتریک PZT یک ولتاژ متناوب را برای ایجاد ارتعاش شعاعی اعمال می کند تا درپوش فلزی را برای ارتعاش خمشی تحریک کند، و درپوش فلزی برجسته مبدل ارتعاش متناوب 'انبساط-انقباض' را ایجاد می کند. امواج صوتی تشعشعی. هنگامی که همان موج فشار متناوب روی درپوش فلزی اعمال می شود، فشار به دیسک سرامیکی پیزوالکتریک PZT منتقل می شود و ولتاژ متناوب در دو قطب دیسک سرامیکی که به عنوان مبدل گیرنده استفاده می شود، خروجی می شود. فرکانس تشدید مبدل نوع سنج در آب 16.1 کیلوهرتز است و پاسخ ولتاژ انتشار 130 دسی بل است (مقدار مرجع 1μPa/V، در 1 متر). شکل 5 نیز عکس ماتریس 9 عنصری متشکل از این نوع مبدل را نشان می دهد. . در مبدل پیزوالکتریک با فرکانس پایین نوع فنر سیم پیچ، سرامیک پیزوالکتریک به شکل فنر سیم پیچی پردازش می شود (همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است).مبدل سرامیکی پیزوالکتریک در جهت مماسی پلاریزه می شود و سپس یک جفت الکترود تحریک ساخته می شود. بخش خنثی بدون الکترود در وسط جدا می شود تا یک جفت الکترود حلقه بیرونی 1 و یک جفت الکترود حلقه داخلی 2 تشکیل شود (نمودار شماتیک بزرگ شده یک قطعه کوچک را در شکل 6 ببینید). به این ترتیب، ولتاژ تحریک V به جفت الکترود اعمال می شود، بخشی از سرامیک پیزوالکتریک که توسط جفت الکترود حلقه بیرونی کنترل می شود و جفت الکترود حلقه داخلی، ارتعاشات مخالف (امتداد یا انقباض) ایجاد می کند و حرکت انبساط و انقباض سیستم فنر، سطح کار انرژی پیستون را به سمت لرزش صدا سوق می دهد. به دلیل سفتی کم این سازه، فرکانس تشدید پایینی دارد و می توان از آن به عنوان مبدل فرستنده فرکانس پایین استفاده کرد. هنگامی که به عنوان گیرنده استفاده می شود، در باندهای فرکانس پایین نیز حساسیت بالایی دارد. با شروع از معادله پیزوالکتریک، رابطه تبدیل الکترومکانیکی این نوع مبدل به دست آمد و کارهای تحقیقاتی اکتشافی انجام شد.

 

مقدمه ای بر مکانیسم های مختلف تبدیل انرژی در مبدل های صوتی زیر آب از منظر تبدیل انرژی، مبدل ها را می توان به طور عمده به مبدل های پیزوالکتریک که از اثر پیزوالکتریک برای رسیدن به تبدیل انرژی استفاده می کنند و مغناطیسی که از اثر مغناطیسی برای رسیدن به تبدیل انرژی استفاده می کنند، تقسیم کرد. مبدل های جمع شونده، مبدل های درگیر در محتوای فوق به این دو نوع تعلق دارند.