پیشرفت های جدید سرامیک پیزو که در مبدل های سونار زیر آب استفاده می شود

مبدل بخش مهمی از سونار است. از منظر تاریخچه هیدروآکوستیک، هر مرحله از توسعه آکوستیک زیر آب از توسعه فناوری مبدل جدایی ناپذیر است. از آنجایی که مبدل های هیدروآکوستیک نقش کلیدی در مهندسی آکوستیک زیر آب ایفا می کنند، بسیاری از کشورهای توسعه یافته سرمایه گذاری هنگفتی در این تحقیق کرده اند. از تاریخچه توسعه تجهیزات آکوستیک زیر آب، از آغاز جنگ جهانی اول، مبدل نوع Langevin متشکل از از کریستال های سرامیکی پیزوالکتریک و توده های فلزی استفاده شد. پس از تعویض های زیاد محصول، مبدل ها مورد استفاده قرار گرفتند. عملکرد بسیار بهبود یافته است. در دو یا سه دهه گذشته، به دلیل تقاضای نظامی، توسعه سریع علم و فناوری، توسعه و کاربرد مستمر مواد مبدل جدید، و استفاده از تجزیه و تحلیل المان پیزو محدود در طراحی مبدل، تحقیقات مبدل. بر اساس نظریه کلاسیک و روش های تحلیلی، مفاهیم و روش های جدید بسیاری پدید آمده است. مبدل آکوستیک زیر آب با دور جدیدی از جایگزینی محصول روبرو است. مبدل غول پیکر رقیق مغناطیسی، مبدل پیزو سرامیکی الکترواستریکتیو با کارایی بالا، ترانسدیوسر کامپوزیت پیزوالکتریک، هیدروفون PVDF با فرکانس پایین، هیدروفون فیبر نوری و غیره. این نشان دهنده آخرین پیشرفت ها در تحقیقات مبدل است. از این جنبه، این مقاله مشتاقانه منتظر آخرین پیشرفت های مبدل های سونار زیر آب است.

مبدل مغناطیسی مغناطیسی غول پیکر

در دهه 1970، AE Clark کشف کرد که آلیاژهای خاکی کمیاب دارای خواص مغناطیسی فوق العاده هستند. این حداکثر کرنش‌های ناشی از اثرات مغناطیسی 6 تا 20 برابر بزرگ‌تر از آن‌ها هستند مبدل لوله پیزوالکتریک مورد استفاده در مبدل های صوتی زیر آب، و چگالی انرژی حدود 10 تا 20 برابر است، و سرعت صوت تنها 2/3 تا 3/4 سرامیک پیزوالکتریک است، و مقایسه عملکرد بین مواد خاکی کمیاب Terfenol2D و مواد معمولی پیزوالکتریک-پیزوالکتریک و PZT-8 است. بنابراین، در شرایط حجمی یکسان، مبدل هیدروآکوستیک Terfenol2D دارای فرکانس رزونانسی است که 2/3 تا 3/4 کمتر از فرکانس تشدید مبدل هیدروآکوستیک سرامیکی پیزوالکتریک است. از آنجا که مبدل ساخته شده از مواد مغناطیسی غول پیکر خاکی کمیاب Terfenol2D دارای ویژگی های قدرت انتقال بزرگ، حجم کوچک، وزن سبک و محیط دمای بالا است، در توسعه مبدل صوتی زیر آب با فرکانس پایین با فرکانس بسیار پایین به دست آمده است. توجه و کاربرد کافی. در دهه 1980، کشورهای توسعه یافته مبدل های مختلف خاکی کمیاب را توسعه داده و از آنها در زمینه نظامی استفاده کردند. سوئد با موفقیت مبدل های خاکی کمیاب منحنی را با قدرت صوتی 151 کیلووات برای مین روبی توسعه داده است. چین تحقیقات خود را در دهه 1990 آغاز کرد، اما پیشرفت سریعی داشته است. آنها با موفقیت مبدل های خمشی خاکی کمیاب، مبدل های خاکی کمیاب و مبدل های خاکی کمیاب میله ای کامپوزیت طولی و غیره را توسعه داده اند. ویژگی های اصلی مواد Terfenol2D (1) مواد شکننده و ماشینکاری دشوار است. (2) از آنجایی که مواد خاکی کمیاب نه تنها یک ماده رسانای مغناطیسی هستند، بلکه یک ماده رسانا نیز هستند، هنگامی که میدان مغناطیسی خارجی تغییر می کند، مبدل خاکی کمیاب. تلفات جریان گردابی در داخل ایجاد می شود و تلفات در فرکانس های بالا زیاد خواهد بود. در مقایسه با مبدل های سرامیکی پیزوالکتریک، مبدل های مغناطیسی مغناطیسی غول پیکر نیاز به حل مشکلاتی مانند بایاس مغناطیسی، پیش تنیدگی، تلفات جریان گردابی و جبران آب عمیق دارند. در حال حاضر راهکارهایی برای رفع این کاستی ها وجود دارد. به منظور حل مشکل مواد شکننده و تلفات زیاد جریان گردابی، مواد مغناطیسی مغناطیسی غول پیکر GMPC، ترفنول 2D پودر شده، مواد پیوند دهنده را مخلوط کرده و توسط متالورژی پودر فشرده و تشکیل شده است. برای طراحی مبدل های مغناطیسی تنگ کننده غول پیکر، این یک راه حل سودمند برای استفاده کامل از تغییر شکل بزرگ و چگالی انرژی بالای آن به عنوان منبع تحریک مبدل خمشی است. می توان از آن برای ایجاد انواع تبدیل فرکانس کم، حجم کم و توان بالا استفاده کرد. انتخاب صحیح بایاس مغناطیسی، تکنیک های پیش تنش و کاربرد مواد مغناطیسی غول پیکر خاکی کمیاب تأثیر زیادی بر عملکرد مبدل دارد. به طور کلی، بایاس مغناطیسی در 1/3 مقدار اشباع مغناطیسی و پیش تنش از 7 مگاپاسکال تا 10 مگاپاسکال برای به دست آوردن توان خروجی زیاد انتخاب می شود.

هیدروفون فیبر نوری

فن آوری هیدروفون فیبر نوری در آزمایشگاه نیروی دریایی ایالات متحده در اواخر دهه 1970 آغاز شد. هیدروفون فیبر نوری دارای مزایای حساسیت بالا، قابلیت تداخل ضد الکترومغناطیسی قوی، محدوده دینامیکی بزرگ، اندازه کوچک و وزن سبک است. نیمکره پیزوالکتریک Pzt4 . از این رو این فناوری به محض تولد بسیار مورد توجه قرار گرفت و به عنوان یکی از فناوری های کلیدی دفاع ملی به شمار می رفت. پس از بیش از 20 سال توسعه، فناوری هیدروفون فیبر نوری در کشورهای توسعه یافته پیشرفت زیادی داشته است و هیدروفون های فیبر نوری مختلفی معرفی شده اند. آنها سیستم نظارت بر صدای زیردریایی هیدروفون تمام فیبر، آرایه خطوط یدک کش، آرایه همسان زیردریایی و غیره را تکمیل کرده اند. به ویژه، توسعه موفقیت آمیز لیزرهای حالت جامد، دنیای وسیعی از کاربردها را برای فیبرهای نوری باز کرده است. فناوری هیدروفون فیبر نوری نیز شروع خوبی دارد. عملکرد نمونه اولیه واحد نزدیک یا به سطح بین المللی رسیده است و تحقیقات فناوری آرایه هیدروفون فیبر نوری انجام شده است. نفوذ تحقیقات سونار به فناوری لیزر بدون شک صفحه جدیدی را در تحقیقات سونار باز خواهد کرد. انواع هیدروفون های فیبر نوری با توجه به اثر موج صوتی برای ایجاد مدولاسیون فاز یا مدولاسیون شدت نور فیبر طراحی شده اند. فیبر به فیبر چند حالته و فیبر تک حالته تقسیم می شود. هیدروفون فیبر نوری بیشتر از فیبر تک حالته ساخته شده است. نوع تداخل سنج و نوع مدولاسیون شدت نور. تحت تأثیر فشار صوت، تنش در هسته فیبر نوری ایجاد می شود تا باعث تغییر در ضریب شکست و طول شود. این دو تغییر باعث مدولاسیون فاز لیزر در حال انتشار در فیبر نوری می شود. هیدروفون فیبر نوری نوع تداخل سنج برای استفاده از فیبری است که تحت تأثیر میدان صوتی به عنوان فیبر حساس قرار می گیرد و دیگری از میدان صوتی جدا می شود. فیبر با اختلاف فاز ثابت به عنوان فیبر مرجع که روی بازوهای تداخل سنج قرار می گیرد و مبدل فوتوالکتریک استفاده می شود. پس از سنتز، تداخل در سطح فتومولتی پلایر دریافتی ایجاد می شود و اطلاعات صوتی تشخیص داده می شود. از آنجایی که طول موج نور بسیار کوچک است، کرنش جزئی سیگنال ناشی از فشار صدا نسبت به طول موج نور تغییر کمی ندارد و در نتیجه باعث تغییر زیادی در شدت نور خروجی می شود، بنابراین حساسیت هیدروفون نوع تداخل فیبر به ویژه زیاد است. عملکرد فنی به دست آمده توسط هیدروفون فیبر نوری تداخل سنج فیبر به شرح زیر است: حساسیت ولتاژ دریافتی: - 140dB (0dB = 1V/μPa) حساسیت فاز: 2. 56 × 10 - 8 راد / μPa .پاسخ فرکانس: 16Hz ≥Hz : 16Hz ~ undulation همه جهته (موج ≤ 2. 5dB) در میان تمام هیدروفون های نوع شدت، هیدروفون نوع گریتینگ یک آشکارساز صوتی جدید، اثبات شده و موثر زیر آب است. 

خروجی به صورت مدولاسیون شدت مستقیم میدان صوتی فرودی بیان می شود. اصل کار اصلی آن این است که باعث جابجایی نسبی دو توری بین منبع نور ثابت و گیرنده نور تحت تأثیر میدان صوتی شود و شدت دریافت تابعی از جابجایی نسبی دو توری است تا میدان صوتی تبدیل شود. برای مدولاسیون شدت خود هیدروفون گریتینگ اساساً از دو موجبر (یا فیبر) نوری هم تراز محوری با شکاف کوچک تشکیل شده است و دیافراگم های موجود در شکاف که گذر را کنترل می کنند، مدولاسیون شدت مورد نیاز را فراهم می کنند. هیدروفون تمام مزایای یک دستگاه مدولاسیون شدت مستقیم را فراهم می کند و ارزان است. روش گریتینگ می تواند به حساسیت نسبتاً بالایی دست یابد و ساخت دستگاه ساده است، بدون هیچ فناوری اپتیکی پیشرفته و دارای محدوده دینامیکی تا 160 دسی بل است و توانایی تشخیص جابجایی ناشی از صدای کمتر از 0.01 A را دارد. محدوده دینامیکی، اندازه و محدوده فرکانس کاری. برای هیدروفون های فیبر نوری، نویز شات ناشی از نوسانات جریان روی فتودیود منبع اصلی نویز آن است و اغلب به عنوان حد تئوری نویز از آن یاد می شود. علاوه بر این، تراز پرتو، جداسازی پرتو مرجع و جداسازی ارتعاش منبع تأثیر مستقیمی بر عملکرد دارند. بزرگترین نقطه ضعف هیدروفون های فیبر نوری اثر دمای زیاد است.