پیشرفت تحقیق و فرصت های توسعه فناوری مبدل آکوستیک زیر آب

امواج صوتی تنها حامل اطلاعاتی هستند که می توانند مسافت های طولانی را در اقیانوس طی کنند. تحقیقات دریایی، توسعه منابع و مبارزات نظامی دریایی همگی از فناوری صوتی زیر آب جدا نیستند. توسعه فناوری هیدروآکوستیک نیازمند انواع مختلفی از مبدل های هیدروآکوستیک برای ارائه پشتیبانی است و ماموریت مبدل های هیدروآکوستیک انتقال و دریافت امواج صوتی در زیر آب است، بنابراین مبدل های هیدروآکوستیک به چشم و گوش تجهیزات هیدروآکوستیک معروف هستند. عملکرد فنی همه جانبه مبدل‌ها، توسعه مستقیم مبدل‌های صوتی زیر آب، عمدتاً شامل پیشرفت‌های جدید در مبدل‌های فرکانس پایین، ترانسدیوسرهای فرکانس بالا و ترانسدیوسرهای صوتی است. در ترکیب با استراتژی و موقعیت توسعه فناوری دریایی کشورم، به طور مختصر در مورد چالش ها و فرصت های توسعه ای که با فناوری مبدل آکوستیک زیر آب با آن مواجه است صحبت کنید.

 

این مبدل آکوستیک زیر آب نوعی حسگر است که تبدیل صدا و سایر اشکال انرژی یا اطلاعات را در محیط آبی درک می کند. مبدل آکوستیک زیر آب تجهیزات جلویی سیستم سونار است و همچنین تعامل بین سیستم سونار و محیط آبی برای تبادل اطلاعات است. زمینه تحقیق و توسعه فناوری مبدل‌های صوتی زیر آب شامل ادغام چندین رشته است و رشته‌های نزدیک به هم عمدتاً شامل: فیزیک، علم مواد، ریاضیات، مکانیک، الکترونیک، شیمی، مکانیک و غیره است، بنابراین توسعه مبدل‌های آکوستیک زیر آب با سایر رشته‌های توسعه مرتبط است و در زمان‌های مختلف با رشته‌های مختلف مرتبط است. رشته‌های مرتبط با قضاوت از تاریخچه توسعه مبدل‌های هیدروآکوستیک کشور من، بزرگترین انگیزه توسعه ناشی از الزامات کاربردی در زمینه فناوری هیدروآکوستیک است، اما تا پایان قرن بیستم، توسعه فناوری مبدل‌های هیدروآکوستیک کشور من فاقد ماهیت کلی و سیستماتیک بود.

 

1.1 پیشرفت تحقیق مبدل های فرکانس پایین

در پاسخ به نیازهای فوری انتقال اطلاعات زیر آب با برد فوق‌العاده و توسعه تشخیص زیردریایی فوق‌العاده پنهان، مبدل‌های فرستنده فرکانس پایین به یکی از نگران‌کننده‌ترین نقاط در زمینه مبدل‌های صوتی زیر آب از قرن بیست و یکم تبدیل شده‌اند. باند فرکانس کاری سونارهای شناسایی و ارتباطی با برد فوق العاده خارجی به حدود 100 هرتز کاهش یافته است. مبدل های فرکانس پایین شامل بسیاری از مشکلات نظری و فنی هستند که در حال حاضر به خوبی حل نشده اند و این جنبه همچنان کانون تحقیقاتی و کانون توجه در توسعه آینده خواهد بود. این بخش کار تحقیقاتی مبدل‌های فرکانس پایین ارتعاش خمشی و مبدل‌های کشش خمشی را انتخاب می‌کند و دستاوردهای فناوری جدید را خلاصه می‌کند.

 

1.1.1 مبدل ارتعاش خمشی فرکانس پایین

اولین مشکل فنی که در توسعه مبدل های زیر آب با فرکانس پایین با آن مواجه است اندازه هندسی است. به طور کلی، فرکانس کاری مبدل های تشدید با اندازه هندسی نسبت معکوس دارد. یعنی هر چه فرکانس مبدل کمتر باشد اندازه هندسی آن بزرگتر خواهد بود. لرزش می تواند به طور موثر اندازه هندسی مبدل های فرکانس پایین را کاهش دهد. طرح‌های جدید مبدل‌های لرزش خمشی با فرکانس پایین در چین در 20 سال گذشته عمدتاً شامل مبدل‌های پرتو منحنی و مبدل‌های دیسک منحنی است.

 

(1) مبدل پرتو خمشی. یک مبدل فرستنده باند پهن پرتوی استوانه ای طراحی کنید (شکل 1a). طراحی ساختار ویژگی های فرکانس مودال ارتعاش خمشی کم و روش جفت ارتعاش چند وجهی را برای گسترش باند فرکانس ترکیب می کند. چای یونگ و همکاران یک مبدل حلقه جفت پرتو لوله پیشنهاد شده است (شکل 1b). با افزودن یک پرتو منحنی به مبدل حلقوی منبت کاری شده برای تشکیل یک ساختار اتصال لوله-تیر، حالت کار موثر افزایش می یابد. برای دستیابی به ویژگی های عملیاتی با فرکانس پایین و باند وسیع از کوپلینگ چند حالته استفاده کنید. ساختار سرریز پذیرفته شده است و توانایی آن برای مقاومت در برابر فشار هیدرواستاتیک با استفاده واقعی از استاندارد غوطه ور در عمق 3000 متر تأیید شده است. خو و همکاران دو طرح طراحی پیشنهادی برای مبدل‌های فرکانس پایین استوانه‌ای (شکل 1c و d)، مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌ها را انجام دادند و منحنی‌های پاسخ انتشار را ارائه کردند که توسط مواد مغناطیسی تنگ‌کننده جدید Terfenol-D و Galfenol هدایت می‌شوند. این پتانسیل ساختار مبدل را برای کاربردهای فرکانس بسیار پایین نشان می دهد.

شکل 1 طراحی جدید مبدل فرکانس پایین برای پرتو منحنی (a)، 0 یک تیر ثابت و 1-5 تیرهای استوانه ای با ضخامت های مختلف است.

(3) مبدل دیسک خم شده. مبدل دیسک منحنی شامل ساختارهای سه پشته، دو پشته و غیره است. شکل 2a یک مبدل دیسک منحنی فشرده را نشان می دهد که از یک جفت لایه لایه دوتایی تشکیل شده است. کار تحقیقاتی خارجی نسبتاً بالغ است. این تحقیق عمیق در مورد این ساختار اساسی مبدل دیسک منحنی انجام شده است. با شروع از این ساختار اولیه، با طراحی محفظه مایع و بهبود حالت رانندگی، طرح‌های جدیدی تولید شده است. شکل 2b یک مبدل دیسک منحنی است که توسط یک حلقه موزاییک هدایت می شود. طراحی شکل 2c از مبدل های دیسک منحنی با اندازه های مختلف برای تشکیل یک ماتریس استفاده می کند و از روش های مختلف رانندگی برای دستیابی به عملیات پهن باند استفاده می کند. شکل 2d یک مبدل دیسک منحنی با ساختار حفره سرریز است. اندازه حفره مایع به طور مناسب در طراحی تنظیم شده است تا الزامات عملکرد آکوستیک را برآورده کند. این یک مبدل دیسک منحنی است که توسط گالفنول هدایت می شود، که از ساختاری شبیه به مبدل طولی برای تحریک ارتعاش خمشی قسمت جلویی تابش استفاده می کند. 

شکل 2 طراحی جدید مبدل فرکانس پایین با دیسک منحنی

1.1.2 مبدل کششی انعطاف پذیر

مفهوم مبدل خمشی از حق اختراع هیز در سال 1936 شروع شد. حالت اصلی کار این است که یک یا چند ویبراتور تلسکوپی پوسته ارتعاش خمشی را برای تولید تابش صوتی با فرکانس پایین هدایت می کنند. تحقیق و استفاده از مبدل های انعطاف پذیر در کشور من از اواخر قرن بیستم فعال بوده است. محققان مبدل های انعطاف پذیر با ساختارهای مختلف طراحی کرده اند. با توجه به ساختار و روش تحریک، مبدل های خمشی به سه دسته تقسیم می شوند. این روش طبقه بندی در اینجا برای معرفی جداگانه استفاده می شود.

 

(2) مبدل کششی خمشی با ساختار استوانه ای. این نوع مبدل توسط یک ویبراتور تلسکوپی طولی برای ترجمه پوسته ارتعاش خمشی هدایت می شود. پوسته ارتعاشی مبدل یک ساختار انتقالی است، یعنی یک پوسته استوانه ای با اشکال مختلف که توسط یک یا چند ویبره تلسکوپی طولی هدایت می شود. از جمله مبدل خمشی نوع IV و ساختار تغییر شکل آن، مبدل خمشی نوع VII، مبدل خمشی چهار طرفه، و غیره. شکل 3a یک ساختار مبدل خمشی نوع IV است. مبدل منعطف نوع IV که توسط یک ماده PMNT تک کریستالی فروالکتریک شل کننده هدایت می شود، توسعه یافته است. مبدل خمشی نوع IV که توسط ماده مغناطیس گیر غول پیکر خاکی کمیاب، Terfenol-D هدایت می شود، توسعه داده شد. شکل 3b طرح جدید مبدل انعطاف پذیر نوع VII است که توسط ماده مغناطیسی نادر خاکی غول پیکر Terfenol-D هدایت می شود. روش تحریک در وسیع ترین قسمت بعد عرضی طراحی شده است و یک جفت ویبراتور موازی طراحی شده است تا نگاهی عمیق به این نوع مبدل بدهد. این سری تحقیقات شامل تحلیل طراحی پیش تنیدگی، مدلسازی نظری، تحلیل مودال، تحقیقات تجربی و غیره است. شکل 3c یک طرح جدید بهبود یافته از مبدل منعطف نوع IV است که شبیه به بهبود طراحی مبدل منعطف نوع I به مبدل منعطف نوع II است که با استفاده از یک ساختار بیضی شکل با پوسته درایو متحرک بلند شده است. ماده PMNT تک کریستالی فروالکتریک شل کننده، که ویژگی های عملیاتی باند پهن بهتری نسبت به مبدل منعطف نوع IV عمومی دارد. شکل 3d اولین طراحی جدید برای بهبود مبدل انعطاف پذیر نوع IV در چین است - مبدل خمشی نوع لب ماهی، که از یک پوسته بیضوی با ارتفاع متغیر استفاده می کند و از مواد مغناطیسی نادر خاکی فوق العاده مغناطیس گیر Terfenol-D درایو استفاده می کند، این پوسته ارتعاشی شکل خاص دارای اثر بازوی اهرمی دوگانه با وزن زیاد است. در حال حاضر، مبدل خمشی لب ماهی Terfenol-D به صورت سریالی و طراحی ساختاری دو پوسته برای افزایش بیشتر قدرت انتقال طراحی شده است. حداکثر توان صوتی یک مبدل منفرد می تواند به 10000 وات برسد، که آن را تبدیل به یک مبدل فرکانس پایین فرکانس بالا با فرستنده داخلی یکی از انواع اصلی می کند. شکل 3e یک مبدل خمشی چهارضلعی تحریک متعامد است که از یک بهبود طراحی فشرده استفاده می کند که می تواند مواد کاربردی بیشتری را در حجم محدود اضافه کند و سطح منبع صدای انتشار را بهبود بخشد. شکل 3f یکی دیگر از طراحی‌های جدید بهبود یافته مبدل منعطف نوع IV است، شبیه به بهبود طراحی مبدل خمشی نوع I به مبدل خمشی نوع III، که از دو پوسته بیضوی به‌صورت سری در امتداد جهت محور طولانی استفاده می‌کند. به حالت فرکانس اساسی پوسته خمشی، که منجر به جفت شدن حالت برای دستیابی به ویژگی های عملیاتی باند پهن است. شکل 3g یک طراحی جدید بهبود یافته برای ویبراتور تحریک مبدل خمشی نوع IV است. این یک مبدل انعطاف پذیر نوع IV است که توسط ویبراتور تاشو هدایت می شود. این ساختار همراه با مواد محفظه با استحکام کم می تواند به طور موثر فرکانس تشدید را کاهش دهد.

شکل 3 مبدل کششی خمشی با ساختار ستونی

همچنین به عنوان مبدل خمشی نوع کدو نیز شناخته می شود. این مبدل منعطف نوع کدو رانده شده توسط PZT و PZT+Terfenol-D مورد مطالعه قرار گرفته است. تجزیه و تحلیل شبیه سازی پارامترهای مشخصه انتشار از تحریک مشترک انجام شده است. شکل 4c یک مبدل کشش انعطاف پذیر لوله مقعر است که توسط ترکیب مغناطیسی-پیزوالکتریک تحریک شده است. در طراحی، از دو عنصر تحریک ترفنول-D و PZT برای تشکیل یک ویبراتور طولی مرکب استفاده شده است. شکل 4d مبدل منعطف استوانه ای مقعر را نشان می دهد. این مبدل توسط پشته چند پیزوالکتریک برانگیخته شده است. با این فرض که پوسته بدون تغییر باقی می ماند و حجم کل مواد سرامیکی پیزوالکتریک یکسان است، تجزیه و تحلیل اعداد مختلف (1-4) درایوهای پشته پیزوالکتریک برای تأثیر بر عملکرد مبدل، یک مبدل کشش خمشی لوله مقعر که توسط یک پیزوالکتریک پشته ای سه گانه برانگیخته شده بود، طراحی و توسعه داده شد.

شکل 4 مبدل تنش خمشی بدنه چرخان نوع بلند

مبدل تنش خمشی دوار بدنه تخت. این نوع مبدل توسط یک ویبراتور منبسط شعاعی هدایت می شود تا پوسته ارتعاشی خمشی متقارن چرخشی را به حرکت درآورد. پوسته ارتعاشی مبدل یک ساختار متقارن دورانی است، به طور کلی یک جفت کلاهک کروی محدب یا مقعر (یا کلاهک‌های کروی) یا از یک دیسک و غیره تشکیل شده است که توسط یک حلقه منبسط شعاعی یا ویبراتور دیسک، از جمله ترانسدیوسر کششی V شکل، مبدل دیسکی انعطاف‌پذیر، VI-shtened، هدایت می‌شود. مبدل منعطف کشش و غیره در اینجا معرفی شده است. شکل 5a یک مبدل خمشی V شکل با اندازه کوچک است. یک جفت کلاهک انتهایی فلزی توسط یک دیسک سرامیکی پیزوالکتریک هدایت می شود که به صورت شعاعی می لرزد تا ارتعاش خمشی ایجاد کند. شکل 5b یک مبدل منعطف دیسکی شکل است که از PZT- در طراحی استفاده می کند. 4 حلقه سرامیکی پیزوالکتریک پلاریزه شعاعی دیسک منحنی را به حرکت در می آورد. دیسک به 16 بخش مساوی در امتداد شکاف شعاعی تقسیم می شود تا جفت شدن ارتعاش جانبی کاهش یابد. مبدل‌های کششی این دو شکل ساختاری دارای ویژگی‌های فرکانس تشدید کم، اندازه هندسی کوچک و راندمان الکتروآکوستیک بالا هستند.

شکل 5 مبدل کششی خمشی بدنه چرخان نوع تخت

1.2 پیشرفت تحقیق مبدل های باند پهن فرکانس بالا

علاوه بر فاصله تشخیص به عنوان یک شاخص مهم تجهیزات صوتی زیر آب، یکی دیگر از جهت گیری های توسعه، به دست آوردن حداکثر مقدار اطلاعات هدف به عنوان هدف اصلی است. به عنوان مثال، سونار تصویر با وضوح بالا، ارتباطات صوتی زیر آب با سرعت داده بالا، و غیره. نیاز به عملکرد حالت فرکانس بالا دارد و باند فرکانس کاری تا حد امکان گسترده است. بنابراین، مبدل صوتی زیر آب با فرکانس بالا به یک جزء کلیدی سیستم، شبیه به اپتیک تبدیل شده است. لنز سیستم تصویربرداری هم همینطور است.

 

شکل 6a یک است مبدل پهن باند فرکانس بالا با ستون سرامیکی پیزوالکتریک و لایه منطبق. نسبت فاصله سرامیکی پیزوالکتریک به اندازه سرامیک و تأثیر مواد پرکننده بر پهنای باند مورد مطالعه قرار می‌گیرد. مبدل باند پهن با فرکانس بالا دو لایه منطبق طراحی شده در شکل 6b از ستون های سرامیکی پیزوالکتریک برای تشکیل یک آرایه استفاده می کند و سپس یک ساختار لایه منطبق دوگانه از لایه فلزی و مواد کامپوزیت رزین را برای دستیابی به عملکرد انتشار آکوستیک پهن باند با فرکانس بالا اضافه می کند. شکل 6c مبدل پهن باند فرکانس بالا کامپوزیت 1-1-3 پیزوالکتریک طراحی شده را نشان می دهد که از ستون های پیزوالکتریک متصل 1 بعدی و ستون های فلزی متصل 1 بعدی تشکیل شده است که به صورت موازی در یک ماتریس پلیمری متصل 3 بعدی مرتب شده اند. مواد مرکب پیزوالکتریک سه فاز تشکیل شده است و مبدل فرکانس فرکانس فرکانس فرستنده فرستنده توسعه یافته است. شکل 6d مبدل پهن باند فرکانس بالا کامپوزیت 1-3 پیزوالکتریک طراحی شده را نشان می دهد که از اثر جفت شدن حالت ارتعاش ضخامت و حالت ارتعاش عرضی مرتبه اول برای تحقق ویژگی های عملکرد باند پهن استفاده می کند. شکل 6e مبدل باند پهن با فرکانس بالا حلقه کامپوزیت پیزوالکتریک طراحی شده را نشان می دهد. حلقه کامپوزیت پیزوالکتریک با برش شعاعی حلقه سرامیکی پیزوالکتریک و ریختن رزین اپوکسی به دست می آید. سپس دو حلقه کامپوزیت پیزوالکتریک با ضخامت دیواره های مختلف به دست می آید. حلقه کامپوزیت برای تشکیل یک مبدل تشدید دوگانه تشعشع شعاعی روی هم قرار گرفته است.

 

شکل 6 مبدل پهن باند فرکانس بالا