نوآوری فناوری در توسعه مبدل های صوتی زیر آب (1)

نوآوری فناوری در توسعه مبدل های صوتی زیر آب

 

 

70.8 درصد از سطح زمین را اقیانوس تشکیل می دهد. اقیانوس وسیع بزرگترین گنج خانه منابع روی زمین است و اقیانوس همچنین موقعیت مهمی برای مبارزات نظامی بین المللی است. تحقیق، توسعه و استفاده از اقیانوس از امواج صوتی جدایی ناپذیر است. امواج صوتی تنها حامل اطلاعاتی هستند که می توانند مسافت های طولانی را در اقیانوس طی کنند. اکتشاف و توسعه منابع دریایی، مبدل ارتباطی زیر آب و ناوبری کشتی‌ها، تشخیص و شناسایی هدف زیر آب، نظارت بر محیط‌زیست، و پیش‌بینی d isaster طبیعی و غیره همگی برای دستیابی به فناوری صوتی زیر آب متکی هستند. توسعه فناوری آکوستیک زیر آب مستلزم پشتیبانی انواع مبدل های صوتی زیر آب است. مأموریت مبدل های صوتی زیر آب، انتقال و دریافت امواج صوتی در زیر آب است، به همین دلیل به آن «چشم و گوش تجهیزات آکوستیک زیر آب» می گویند که می توان گفت مبدل های صوتی زیر آب هستند. تولد 'H' نشان دهنده آغاز توسعه فناوری هیدروآکوستیک است. پیشرفت فنی مبدل های هیدروآکوستیک یک پیش نیاز و پایه مهم برای توسعه سریع فناوری هیدروآکوستیک است (1)

 

را مبدل آکوستیک زیر آب یک موضوع ساده جدا نیست، بلکه یک زمینه فنی چند رشته ای است. موضوعات مرتبط عمدتاً عبارتند از: فیزیک، علم مواد، ریاضیات، مکانیک، الکترونیک، شیمی، علوم مکانیک و غیره، بنابراین آکوستیک زیر آب اگرچه مبدل تنها سابقه بیش از صد سال توسعه دارد، اما اکنون به یک رشته موضوعی پر جنب و جوش تبدیل شده است. نیاز مبرم از حوزه فناوری هیدروآکوستیک، نیروی محرکه مستقیم برای توسعه مبدل‌های هیدروآکوستیک است و توسعه مواد کاربردی و پیشرفت فناوری مهمترین پایه مادی برای توسعه مبدل‌های هیدروآکوستیک است. در طول تاریخ توسعه مبدل های هیدروآکوستیک، به منظور برآورده کردن الزامات فنی روزافزون در زمینه هیدروآکوستیک تا حد زیادی، مواد عملکردی مربوطه به طور مداوم به روز می شوند. مردم تحقیقات کاربردی خاصی را در مورد ویژگی‌های مواد کاربردی مختلف انجام داده‌اند و فن‌آوری‌های جدیدی طراحی کرده‌اند و ساختارهای جدیدی پیشنهاد شده‌اند که عملکرد فنی جامع مبدل را بهبود بخشیده و افزایش داده است، که جریان بی‌پایانی از نتایج تحقیقاتی نوآورانه را در مورد مبدل امکان‌پذیر کرده است. نویسنده برخی از نمونه‌های پژوهشی معمولی مبدل‌های پرتاب را انتخاب می‌کند، ایده‌های نوآورانه این کار تحقیقاتی را از چندین زوایای مختلف تجزیه و تحلیل و خلاصه می‌کند و امیدوار است که به محققان جوان راهنمایی و روشنگری خاصی ارائه دهد و فعالانه جنبه‌های عمیق کار تحقیقاتی کلاسیک را بررسی کند.

 

1. نوآوری فنی مبدل آکوستیک زیر آب بر اساس مواد کاربردی

 

در سال 1915، پل لانگوین فرانسوی و دیگران از یک فرستنده خازن و یک گیرنده ذرات کربن برای انجام آزمایش های صوتی زیر آب استفاده کردند. این دو دستگاه فرستنده و گیرنده باید مبدل های صوتی ابتدایی زیر آب باشند. 1917 - 1918 لانگوین ژیوان مبدل کوارتز را طراحی و بهبود بخشید. ویبراتور آن از چندین صفحه کوارتز پیزوالکتریک تشکیل شده است که بین دو صفحه فولادی ضخیم قرار گرفته اند. این ساختار مبدل لانگژیوان نام دارد. از آنجایی که کوارتز طبیعی نمی تواند تقاضای روزافزون را برآورده کند، مشخص شد که نمک کریستال پیزوالکتریک مصنوعی محلول در آب نمک روشل اثر پیزوالکتریک قوی تری نسبت به کوارتز دارد، اما مشکل پایداری آن دامنه کاربرد را محدود می کند و پیزوالکتریک کمی پایین تر است. بلورهای آمونیوم دی هیدروژن فسفات (ADP) به دلیل خواص نسبتاً پایداری که دارند، در جنگ جهانی دوم به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1920، اثر مغناطیسی در مبدل های صوتی زیر آب اعمال شد. در سال 1925، مبدل های مغناطیسی نیکل طراحی و اعمال شدند. در سال 1931، مطالعه عمیق ورقه های نیکل نازک منجر به توسعه سریع مبدل های مغناطیسی شد. و به تدریج جایگزین مبدل های کریستالی پیزوالکتریک شد. در سال 1944، کشف شد که سرامیک های تیتانات باریم پس از قطبش، پیزوالکتریک قوی دارند و تلفات آن بسیار کمتر از مواد مغناطیسی است. بعداً، مبدل های پیزوالکتریک سرامیکی باریم تیتانات به سرعت توسعه یافت. سرامیک تیتانات زیرکونات سرب پلاریزه (PZT) که در سال 1954 کشف شد، پیزوالکتریک قوی تری دارد. تا به امروز، سرامیک‌های پیزوالکتریک PZT همچنان مواد کاربردی اصلی مبدل‌های صوتی زیر آب هستند.

 

در دهه 1970، دکتر کلارک AE در ایالات متحده آلیاژ سه تایی مغناطیسی تنگ کننده غول خاکی کمیاب Terfenol-D را توسعه داد. از دهه 1990، مواد تک کریستالی فروالکتریک آرامش‌بخش PZN-PT و PMN با خواص الکتریکی ولتاژ بالا و چگالی انرژی بالا -PT یکی پس از دیگری کشف شده‌اند و پیشرفت‌های جدیدی در تحقیقات کاربردی این سه ماده حاصل شده است. این بخش بر روی نتایج تحقیقات این مبدل‌های مواد کاربردی جدید تمرکز خواهد کرد.

 

⒈نسل جدیدی از مواد مغناطیسی تنگ کننده و مبدل های آنها

نسل جدید مواد مغناطیس گیر شامل مواد آلیاژ خاکی کمیاب و مواد آلیاژ فلزی کمیاب است. اثر مغناطیسی غول پیکر مواد آلیاژ خاکی کمیاب برای اولین بار در شرایط دمای پایین کشف شد. بالاترین کرنش مغناطیسی ماده Tb0.6Dy0.4 در 77K 0.65٪ است و بالاترین کرنش مغناطیسی ترفنول-D در دمای اتاق 0.25٪ است. اسنادی وجود دارد که نشان می دهد یک مبدل طولی دو پیستونی مغناطیسی که توسط یک سیم پیچ ابررسانا هدایت می شود، ساخته شده است. میله مغناطیسی تنگ کننده آلیاژ خاکی کمیاب (تربیوم-دیسپروزیم) در یک اتاق تهویه مطبوع (دمای 50-60K) قرار می گیرد و برج خنک کننده توسط برج خنک کننده یخچال به گردش در می آید و خنک می شود. در اتاق، یک سیم پیچ ماده ابررسانا یک میدان مغناطیسی بایاس DC و یک میدان مغناطیسی تحریکی را برای تحریک میله مغناطیسی تنگ کننده برای ایجاد ارتعاش کششی و انتقال آن به سطح تابشی پیستونی از طریق قطعه انتقال مکانیکی فراهم می کند. سطح تابشی پیستونی محیط آب را برای تولید امواج فشار برای تشعشع 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 181.4 دسی بل و بازده حدود 25٪ است. این مبدل هیدروفون زیر آب فرآیند تولید را برای به دست آوردن شرایط کاری در دمای پایین پیچیده می کند. در سال‌های اخیر، مردم مایلند از مواد ترفنول-D استفاده کنند که در دمای اتاق کار می‌کند تا فرآیند تولید را ساده‌تر کند، در حالی که با ساختار جدید، عملکرد تابشی عالی را به دست می‌آورد.

 

این مبدل فرستنده هشت ضلعی با محور ترفنول D است که توسط باتلر برابر با 1980 تکمیل شده است. 16 میله خاکی کمیاب در دو لایه چیده شده اند و 8 میله خاکی کمیاب در هر لایه از طریق یک بلوک انتقال گوه ای شکل به یک هشت ضلعی متصل می شوند و یک مدار مغناطیسی بسته را تشکیل می دهند، بلوک انتقالی از سطح تابشی به قسمتی از 4 متصل می شود. زاویه مرکزی)، و میله خاکی کمیاب از طریق سیم های تنش با مقاومت بالا بین بلوک های انتقال پیش تنیده می شود. پیش تنیدگی داخلی میله خاکی کمیاب حدود 13.8 مگاپاسکال است، و فرکانس تشدید مبدل در آب در 775 هرتز، حرکت غیرخطی تحت شرایط میدان مغناطیسی بایاس DC و شرایط میدان مغناطیسی بدون سوگیری مقایسه شد، و سطح منبع صدا 189.8 دسی بل تحت شرایط میدان مغناطیسی بایاس DC غیرحقیقی و 19 در شرایط میدان مغناطیسی بایاس غیرخطی 2bias مشخص شده بود. به ترتیب.