نوآوری فناوری در توسعه مبدل های صوتی زیر آب (2)

     نوآوری فناوری در توسعه مبدل های صوتی زیر آب (2)

آلیاژ آهن-گالیوم (گالفنول) نوع جدیدی از مواد مغناطیسی است که در سال های اخیر پدیدار شده است. کرنش مغناطیسی آن بین نیکل و ترفنول-D، در 300ppm است (ppm یک ریزمتغییر است، نشان دهنده ΔL/L=10-6) در بالا، در مقایسه با ترفنول-D، دارای مزایای نفوذپذیری نسبی بالاتر (> 100)، ماشین کاری خوب، پایداری در دمای بالا و استحکام کششی بالا است. از آنجایی که مواد آلیاژ آهن-گالیوم عملکرد ماشینکاری خوب و استحکام مکانیکی بالایی دارد، می توان از آن برای طراحی و پردازش محفظه مبدل انعطاف پذیر استفاده کرد. شکل 2b یک نمونه تحقیقاتی از یک مبدل انعطاف پذیر بشکه ای مقعر با محفظه آلیاژ آهن-گالیوم است. را مبدل آکوستیک زیر آب رانده می شود. ویبراتور از عناصر آلیاژ آهن-گالیوم Φ20mm×40mm و صفحات آهنربای دائم نئودیمیم-آهن-بور تشکیل شده است و یک مدار مغناطیسی بسته را با پوسته تابشی تشکیل می دهد. نتایج تجربی نشان می دهد که پاسخ جریان انتشار مبدل 168.4dB (فرکانس تشدید 1750 هرتز) است که بهتر از دورالومین با اندازه هندسی مشابه است. مبدل محفظه (فرکانس تشدید 1900 هرتز) تقریباً 5 دسی بل بهبود یافته است که نشان دهنده مزایای طراحی محفظه فعال است.

 

منتشر شده در سال 2000، نتایج تحقیق مبدل طولی باند پهن باند تحریک مغناطیسی-پیزوالکتریک. مبدل طولی به طور مشترک توسط واحد Terfenol-D و پشته PZT هدایت می شود که عملکرد پهنای باند 1.8 کیلوهرتز و 3.5 کیلوهرتز اوج رزونانس را محقق می کند. ویژگی ها، ادبیات همچنین گزارش داد که آرایه مسطح پرقدرت 4×4 متشکل از این نوع مبدل، سطح منبع صدا آرایه بیشتر از 225dB در باند فرکانس 1.5-6kHz است.

 

مبدل طولی درایو چند واحدی Terfenol-D، نویسنده به طرز ماهرانه ای واحد درایو را طراحی کرده است، ساختار آن از یک غلاف آهنربای دائمی برای اعمال میدان مغناطیسی بایاس برای جدا کردن میدان مغناطیسی ساکن از مدار مغناطیسی دینامیک استفاده می کند، و مغناطیسی دینامیک عناصر آهنربای دائمی با نفوذپذیری کم در جاده اجتناب می شود، و اثر محرک انرژی میدان مغناطیسی افزایش می یابد. نمودار فیزیکی واحد درایو است. 4 واحد درایو از این قبیل به صورت مکانیکی به صورت سری به هم متصل می شوند تا یک جایگزین طولی با فرکانس پایین با پوشش جلو و توده دم تشکیل دهند. دستگاه انرژی، پیچ مرکزی پیش تنیده است. شکل 3c تصویر واقعی مبدل پس از بسته بندی است، فرکانس تشدید مبدل 1.6 کیلوهرتز و سطح منبع صدا 177bB است.

 

طراحی مدار مغناطیسی مبدل مغناطیسی بسیار مهم است. باتلر مبدل انعطاف پذیر بشکه ای مقعر را به عنوان مثال در نظر گرفت و اثرات کار شش طرح مدار مغناطیسی را از طریق تحلیل المان محدود مقایسه کرد. ساختارهای مدار مغناطیسی شکل 4a-f به ترتیب عبارتند از: .میله خاکی کمیاب پیوسته به همراه پوشش انتهایی لوازم جانبی مغناطیسی نفوذپذیر آهن خالص، پوشش انتهایی میله خاکی کمیاب پیوسته به همراه پوشش انتهایی لوازم جانبی نفوذپذیر آهن خالص، میله خاکی کمیاب پیوسته بدون لوازم جانبی نفوذپذیر آهن خالص، ترکیبی از میله خاکی کمیاب و روکش انتهایی آهنربای دائمی در انتها و قطعه آهنربایی دائمی ترکیب میله و قطعه آهنربای دائم به اضافه پوشش انتهایی لوازم جانبی نفوذپذیر مغناطیسی آهن خالص، ترکیب میله خاکی کمیاب و قطعه آهنربای دائمی بدون لوازم جانبی مغناطیسی نفوذپذیر آهن خالص، ضرایب جفت الکترومکانیکی موثر به ترتیب 0.33، 0.30، 0.27، 0.22، 0.213، 0.213، و 0. ضریب اتصال ویبراتور خاکی کمیاب از یک میله خاکی کمیاب پیوسته به یک میله خاکی کمیاب همراه با یک صفحه آهنربای دائمی تغییر می کند. کلاهک‌های انتهایی و آستین‌های لوازم جانبی نفوذپذیر مغناطیسی آهن خالص تأثیر خاصی بر بهبود عملکرد جفت الکترومکانیکی ویبراتور خاکی کمیاب دارند، اما برای محرک‌هایی با نفوذپذیری نسبی کم مانند ترفنول-D، بهبود اندک است و ضریب جفت الکترومکانیکی مؤثر بین 0.20 تا 0.23 یا 0.23 تعیین می‌شود.

 

 

2. نسل جدیدی از مواد پیزوالکتریک و مبدل های آنها

تا نیمه اول قرن بیستم، تمام مواد پیزوالکتریک تک بلور بودند. باریم تیتانات سرامیکی پیزوالکتریک پلی کریستالی برای اولین بار در دهه 1950 کشف شد و به دنبال آن زیرکونات تیتانات سرب (PZT) در دهه 1960 کشف شد. عملکرد این سرامیک های پیزوالکتریک بسیار فراتر از عملکرد تک بلورهای اولیه است و PZT از آن زمان به ماده کاربردی اصلی مبدل های صوتی زیر آب تبدیل شده است.

در اواسط دهه 1990، منیزیم نیوبات سرب-تیتانات سرب تک کریستال پیزوالکتریک جدید (PMN-PT) و تیتانات نیوبات سرب روی سرب (PZN-PT) کشف شد، این دو ماده تک کریستال پیزوالکتریک دارای کرنش اشباع بسیار بالا (بیش از 1 درصد، ضایعات پیزوالکتریک تر) هستند. بیش از 0.9)، مزایای بالقوه افزایش توان و گسترش باند فرکانس را در جهت مبدل صوتی زیر آب نشان می دهد. در سال‌های اخیر، نیوبات سرب منیزیم سرب سه تایی ایندیم نیوبات سرب تیتانات (PIN-PMN-PT) و سرب دوپ شده با منگنز ایندیم نیوبات سرب منیزیم نیوبات سرب تیتانات (Mn: PIN-PMN-PT) پیزوالکتریک، ویژگی‌های تک کریستال الکتریکی را در شرایط کاری بالا بهبود می‌بخشد.

کاربرد مواد تک کریستالی پیزوالکتریک مانند PMN-PT در زمینه آکوستیک زیر آب از طراحی و توسعه مبدل های طولی آغاز شد. مایر و دیگران یک سری کار تحقیقاتی از جمله تجزیه و تحلیل دقیق مبدل های طولی PMN-PT 33 حالته و 32 حالته و یک مطالعه مقایسه ای با PZT-8 انجام داده اند. شکل 5a یک مبدل طولی 33 حالته است که توسط پشته‌ای از 10 ویفر PZT-8 هدایت می‌شود، شکل 5b یک مبدل طولی 33 حالته است که توسط پشته‌ای از 3 ویفر PMN-PT هدایت می‌شود، و شکل 5c یک مبدل 4 PMN-3-mode PMN-Mosh The long است. مبدل طولی نتایج نشان می‌دهد که وقتی از PMN-PT و PZT-8 برای ساخت مبدل‌های طولی با فرکانس و سطح منبع انتشار یکسان و سایر پارامترها استفاده می‌شود، کریستال PMN-PT طول پشته تنها حدود 30 درصد PZT-8 است که نشان‌دهنده مزایای فنی مواد تک کریستال پیزوالکتریک برای ساخت مبدل‌های کوچک است. حالت 32 می تواند مواد تک کریستالی را بر اساس بهترین جهت عملکرد برش دهد و در عین حال از ترکیب نوارهای بلند استفاده کند.

تک کریستال یک را توسعه داده است مبدل فرستنده استوانه ای متشکل از حلقه های منبت کاری شده. هر حلقه از 12 نوار گوه ای شکل تشکیل شده است و 9 حلقه در جهت محوری به صورت محکم جمع شده اند تا یک استوانه را تشکیل دهند. اندازه هندسی (Φ20.3mm×66mm) به طور قابل توجهی کوچکتر از مبدل سرامیکی پیزوالکتریک با همان فرکانس است و ویژگی های کاری پهنای باند بیش از 2.5 اکتاو را درک می کند. سند دیگری از تک کریستال PMN-PT برای توسعه یک مبدل منعطف بشکه ای مقعر استفاده می کند. ویبراتور محرک مبدل از پشته ای از 16 عنصر قطبی محوری Φ28mm×Φ10mm×4.8mm و یک پوسته ارتعاشی آلیاژ تیتانیوم تشکیل شده است. پاسخ ولتاژ انتشار بیش از 5dB در مقایسه با همان مبدل ساختار ماده PZT-4 بهبود یافته است.

دمای انتقال فاز مثلثی-تتراگونال تک کریستال PMN-PT نسبتاً پایین است، که محدوده کاربرد آن را تا حدی محدود می‌کند، مخصوصاً برای برنامه‌های کاربردی تحت شرایط با توان بالا. سرب سه تایی ایندیم نیوبات سرب منیزیم نیوبات سرب تیتانات (PIN-PMN-PT) و تک کریستال دوپ شده منگنز (Mn: PIN-PMN-PT) دمای انتقال فاز تک کریستال فروالکتریک شل کننده را آشکار می کند، همزمان ضریب تلفات را افزایش می دهد و تا حد زیادی کاهش می دهد، ضریب تلفات درجه سانتی گراد افزایش می یابد، دمای انتقال از 125 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. از 0.26 به 0.15 کاهش می یابد و ضریب تلفات تنها 1/2 سرامیک معمولی پیزوالکتریک PZT-4 است. همچنین ادبیاتی وجود دارد که از این دو تک کریستال فرمول جدید، PMN-PT و PZT-4 برای ساخت مبدل های طولی و مقایسه ویژگی های عملکرد پرقدرت آنها استفاده می کند، که ثابت می کند مواد تک کریستال فرمول جدید برای شرایط چرخه کاری پرقدرت و بزرگ مناسب تر است. سطح منبع صدای مبدل PMN-PT 5dB بالاتر از مبدل PMN-PT در فرکانس رزونانس است. در مقایسه با سرامیک های پیزوالکتریک PZT-4، سطح منبع صدا و ظرفیت توان در فرکانس تشدید اساساً معادل است و پهنای باند کاری 1 بار افزایش می یابد و حداکثر سطح منبع صدا خارج از فرکانس رزونانس حدود 6 دسی بل افزایش می یابد.

 

تحقیقات کاربردی مواد تک کریستالی PMN-PT بیشتر بر روی سیستم تصویربرداری اولتراسونیک پزشکی با فرکانس بالا متمرکز است. در اینجا تنها یک مورد از تحقیقات کاربردی مبدل هیدروآکوستیک Cymbal است که از عنصر PMN-PT Φ12.7mm×1mm برای هدایت تیتانیوم 0.25mm استفاده می کند. کلاهک ارتعاش خمشی آلیاژی یک مبدل کشش خمشی با اندازه کوچک از نوع Cymbal را توسعه داده است که دارای 6dB ولتاژ انتشار بالاتر با ساختار ترانزشی-4 با ساختار محرک PZT است.

 

2. نوآوری فنی ساختار و فناوری مبدل آکوستیک زیر آب

⒈نوآوری فنی برای بهبود ویژگی های تیر

در سونارهای مدرن، به طور کلی از آرایه های پایه مختلفی برای دستیابی به مشخصات پرتو مورد نیاز استفاده می شود. با این حال، زمانی که دیافراگم نصب مبدل محدود است و الزامات خاصی برای مشخصات پرتو وجود دارد، لازم است اقدامات فنی برای کنترل مشخصات پرتو مبدل انجام شود. رویکردهای فنی اصلی برای بهبود عبارتند از: کاربرد بافل، فناوری برهم نهی مودال با استفاده از دوقطبی و چند قطبی، و غیره. این بخش برخی از نمونه‌های تحقیقاتی معمولی را انتخاب می‌کند، با تمرکز بر تجزیه و تحلیل و خلاصه استفاده از روش‌های برهم نهی مودال برای بهبود ویژگی‌های پرتو مبدل دستاوردهای فنی.

⑴استفاده از بافل برای بهبود مشخصات پرتو مبدل

در سیستم سونار اولیه، به طور کلی از یک مبدل مستقل استفاده می شد. هنگامی که جهت گیری نمی تواند الزامات را برآورده کند، بازتاب بافل برای کنترل پرتو انتقال استفاده می شود که عمدتاً شامل عبور از یک بافل صاف، یک بافل استوانه ای و یک بافل کروی است. بافل صفحه و مخروط برای تغییر جهت مبدل‌های استوانه‌ای، مبدل‌های پیستونی، مبدل‌های کروی و غیره تا حدی نیازهای کنترل پرتو انتقال یک طرفه را برآورده می‌کند، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، استفاده از مخروط‌های دوگانه.

 

ادبیاتی وجود دارد مبنی بر اینکه مبدل خمشی نوع IV 3 کیلوهرتز در نزدیکی کانون بازتابنده سهموی قرار می گیرد، به طوری که مبدل خمشی نوع IV با غیر جهت خود می تواند به ویژگی های تابش یک جهته دست یابد. این آزمایش زاویه باز شدن تک زاویه 83 درجه را به دست می آورد. نسبت به پرتو، تفاوت پاسخ جلو و عقب 21 دسی بل است.

⑵ مبدل جهتی ترکیبی معین

مبدل‌های ساختاری مختلف حالت‌های ارتعاش چند مرتبه‌ای متفاوتی دارند. مبدل های تشدید معمولاً بر اساس حالت ارتعاش فرکانس اساسی کار می کنند. حالت‌های مختلف ارتعاش با روش‌های تحریک مؤثر آنها مطابقت دارند، بنابراین می‌توان از ترکیبی از روش‌های تحریک استفاده کرد. حالت های اصلی که می توانند ویژگی های پرتو مبدل را از طریق ترکیب تغییر دهند عبارتند از حالت تک قطبی، حالت دوقطبی و حالت چهار قطبی و غیره. در این بخش، همراه با نتایج ادبیات خاص، تجزیه و تحلیل و خلاصه‌ای از فناوری پردازش و روش‌های تحریک مبدل‌های ساختاری مختلف برای دستیابی به برهم‌نهی مودال ارائه می‌شود.

کار چند حالته تحریک عموماً از روش تحریک پارتیشن استفاده می کند، مانند: لوله سرامیکی پیزوالکتریک یا پوسته کروی اغلب روش الکترود تقسیم را اتخاذ می کند، به شکل 7a، b مراجعه کنید. مبدل چند ضلعی ( حلقه ای) مغناطیسی، تحریک لبه مستقل را اتخاذ می کند.

 

باتلر و همکاران یک 'مبدل مودال' را طراحی و توسعه داد، که هنوز از ایده طراحی تحریک پارتیشن استفاده می کند، اما با شکستن محدودیت تقسیم اجزای مستقل، با استفاده از 8 لرزاننده طولی 1/4 مستقل برای به اشتراک گذاشتن جرم دم، هر مبدل سطح تابش یک سطح قوس استوانه ای نزدیک به 45 درجه است، و آنها مجموعاً یک ترانسدیوگر مستقل را محصور می کنند. اندازه هندسی مبدل توسط شرایط فرآیند عناصر مستقل محدود نمی شود و جهت طولی ساختار پیش تنیده در همان زمان اتخاذ می شود. ویبراتور دارای مزایای فنی برای طراحی مبدل های فرستنده جهت دار با فرکانس پایین و توان بالا است. شکل 8 شکل ارتعاشات مودال 'مبدل مودال' را نشان می دهد. مبدل‌های مودال مبتنی بر سرامیک‌های پیزوالکتریک PZT-8، مواد مغناطیسی تنگ‌کننده غول پیکر PMN-PT و ترفنول-D به ترتیب طراحی و ساخته شده‌اند. یک پرتو ارسال جهت کاردیوئید با شاخص جهت 6dB و تفاوت 25dB در پاسخ از جلو به عقب به دست آورده است.

 

این نوع دیگری از مبدل انتشار جهت دار با فرکانس پایین و توان بالا است - یک مبدل منعطف برانگیخته منطقه. در طراحی، پشته پیزوالکتریک (یا ویبراتور مغناطیسی انقباضی) مبدل کشش خمشی در معرض تحریک ناحیه قرار می گیرد، با استفاده از ترکیب حالت های تک قطبی و دوقطبی برای تشکیل یک پرتو نشر جهت دار کاردیوئیدی روی هم قرار می گیرد. شکل 9a یک مبدل خمشی با جهت دهی 900 هرتز از نوع IV است، و شکل 9b یک مبدل منعطف با جهت دهی 3 کیلوهرتز نوع VII است.

ادبیات یک مبدل استوانه ای چند حالته پهن باند با صفحه بافل (نشان داده شده در شکل 10) را مطالعه می کند. الکترودهای لوله استوانه ای سرامیکی پیزوالکتریک به طور مساوی به دو گروه تقسیم می شوند و به طور مستقل برای به دست آوردن یک تک قطبی (حالت 0) و یک دوقطبی (حالت 1) برانگیخته می شوند و سپس با بافل همکاری می کنند تا انتشار جهت یک طرفه را درک کنند. کار تحقیقاتی همچنین از رابطه فاز بین حالت‌ها برای طراحی یک تقویت‌کننده توان مستقل و مدار تنظیم، از طریق فرکانس پایین '0+1' و فرکانس بالا '0 + 1' استفاده می‌کند. －1' کنترل ترکیبی مدال ویژگی‌های کار باند پهن را مشخص می‌کند. مبدل از 4 لوله پیزوالکتریک PZT-4 از Φ38.2mm×Φ31.8mm×19mm در جهت ارتفاع استفاده می‌کند، و اندازه پس از بسته‌بندی Φ48mm×79mm است. بافل از دو تکه لاستیک چوب پنبه‌ای نازک ساخته شده است. ضخامت 6 میلی متر، و پاسخ ولتاژ انتشار 6 دسی بل در باند فرکانس 26-46 کیلوهرتز نوسان دارد.

2. نوآوری فنی برای بهبود ویژگی های فرکانس

با گسترش چند جهته جهت کاربرد فناوری آکوستیک زیر آب، محدوده فرکانس کاری سیستم های سونار فعال به طور مداوم گسترش یافته است. در این میان، فرکانس کاری سونار تصویر با وضوح بالا به 106 هرتز افزایش یافته است و باند فرکانس کاری سونارهای تشخیص و ارتباطی فوق‌العاده از راه دور حتی پایین‌تر است. زیر 100 هرتز؛ از سوی دیگر، توسعه پردازش اطلاعات سونار مستلزم آن است که باند فرکانس کاری مبدل تا حد امکان گسترده باشد. بنابراین، مبدل‌های فرکانس پایین و مبدل‌های باند پهن در سال‌های اخیر توجه زیادی را در زمینه آکوستیک زیر آب به خود جلب کرده‌اند و نتایج تحقیقات کاملاً غنی است. با این حال، هنوز بسیاری از مشکلات نظری و فنی وجود دارد که به خوبی حل نشده است. این جنبه همچنان کانون تحقیقات و تمرکز توسعه آینده خواهد بود. این بخش، کار پژوهشی را در جهت مبدل‌های فرکانس پایین و مبدل‌های باند پهن انتخاب کرده و آن‌ها را تحلیل و خلاصه می‌کند. ایده های نوآورانه و دستاوردهای فناوری جدید.

⑴ طراحی مبتکرانه مبدل فرکانس پایین

① مبدل ارتعاش خمشی فرکانس پایین

اولین مشکل فنی که در توسعه مبدل های فرکانس پایین با آن مواجه است اندازه هندسی است. به طور کلی، فرکانس کاری مبدل های تشدید با اندازه هندسی نسبت معکوس دارد، یعنی هرچه فرکانس مبدل کمتر باشد، اندازه هندسی بزرگتر است، مانند تبدیل طولی 500 هرتز. طول دستگاه انرژی حدود 3 متر است. لرزش خمشی می تواند به طور موثر اندازه هندسی مبدل های فرکانس پایین را کاهش دهد. در این میان، مبدل هایی که دستگاه های عملکردی آنها مستقیماً در ارتعاش خمشی شرکت می کنند، عمدتاً شامل مبدل های پرتو خمشی، مبدل های دیسک خمشی و غیره است.

شکل 11a یک ساختار تیر خمشی سه پشته ای معمولی را نشان می دهد. تکه ای از نوارهای سرامیکی پیزوالکتریک در بالا و پایین تیر خمشی چسبانده شده است. هنگامی که یکی از نوارهای سرامیکی پیزوالکتریک کشیده می شود و دیگری در هنگام تحریک منقبض می شود، تیر فلزی در وسط، لرزش خمشی ایجاد می کند. این نوع تبدیل انرژی دستگاه باید از یک طرف در معرض آب قرار گیرد تا امواج صوتی را تابش کند، بنابراین معمولاً چندین پرتو منحنی برای تشکیل یک حفره هوا ترکیب می شوند، همانطور که در شکل 11b نشان داده شده است، هر سطح تابشی به صورت فاز ارتعاش می کند.

 

یک اصل کار مشابه، مبدل دیسکی منحنی با ساختار دیسکی نامیده می شود که شامل ساختار سه لایه و دو لایه است. شکل 11c یک مبدل دیسک منحنی فشرده را نشان می دهد که از یک جفت ورق دو لایه تشکیل شده است. (بندر). تجزیه و تحلیل سیستم Delany در مورد ویژگی های عملکردی فرکانس پایین، اندازه کوچک و توان بالا Bender تحقیق کرد.

توسعه مبدل‌های فرکانس پایین ارتعاش خمشی همچنین شامل یک مبدل حلقوی ساختاری جدید است (نشان داده شده در شکل 12). مبدل حلقوی اسپلیت را می توان به عنوان یک مبدل پرتو خمشی ویژه در نظر گرفت. ساختار اصلی توسط هریس در سال 1957 پیشنهاد شد. تیر حلقه ای مرکب از یک حلقه سرامیکی پیزوالکتریک داخلی و یک حلقه فلزی بیرونی تشکیل شده بود. مدل‌سازی و تحلیل مبدل بر اساس «مدل چنگال تنظیم» نشان‌داده‌شده در شکل 12b بود، و عنصر محرک به یک ساختار تقسیم شده تنظیم شد. مبدل حلقه تقسیم را می توان با اندازه بزرگتر طراحی کرد، و جرم را می توان از طریق توزیع ضخامت-سفتی تنظیم کرد تا به بهینه سازی فرکانس کاری و ویژگی های تابش، همانطور که در شکل 12c نشان داده شده است، دست یابد.

 

②ترانسدیوسر کششی خمشی

مفهوم مبدل خمشی از حق اختراع هیز در سال 1936 شروع شد. پس از اینکه تولیس در سال 1966 حق اختراع مبدل خمشی نوع IV را منتشر کرد، تحقیقات و کاربرد مبدل خمشی شروع به فعالیت کرد و تا کنون بیش از نیمی از آنها وجود داشته است. در قرن تاریخ توسعه ، اشکال ساختاری مختلفی از مبدل‌های کششی متولد شده‌اند و اصول کار و فرآیندهای ساختاری آن‌ها مملو از ایده‌های طراحی نوآورانه است. ما نمی توانیم آنها را یک به یک به ترتیب زمانی توسعه آنها معرفی کنیم، فقط مبدل های انعطاف پذیر. ساختار و روش های تشویقی شرکت به سه دسته زیر تقسیم می شود که به اختصار مورد تجزیه و تحلیل و جمع بندی قرار می گیرد.

△ مبدل کشش خمشی با ساختار استوانه ای. این نوع مبدل توسط یک ویبراتور تلسکوپی طولی برای ترجمه پوسته ارتعاش خمشی هدایت می شود، همانطور که در شکل 13 نشان داده شده است. مبدل خمشی دستگاه انرژی، c یک مبدل تنش خمشی 'ستاره‌ای' است که توسط یک پشته پیزوالکتریک متعامد هدایت می‌شود و یک مبدل تنش خمشی 'ستاره‌ای' است که توسط یک لرزاننده مغناطیسی انقباضی چهار ضلعی هدایت می‌شود. از آنجایی که این نوع مبدل برای طراحی یک ویبراتور تحریک پارتیشن بندی شده آسان است، مبدل کششی جهت دار که در بالا توضیح داده شد، عموماً این نوع ساختار را انتخاب می کند.

△ مبدل کششی خمشی با بدنه چرخان طولانی. این نوع مبدل توسط یک ارتعاش تلسکوپی طولی هدایت می شود تا پوسته ارتعاشی خمشی متقارن دورانی را به حرکت درآورد، همانطور که در شکل 14 نشان داده شده است. شکل‌های 14a و b شکل‌های محدب نوع I ساختار مبدل انعطاف‌پذیر و ساختار مقعر هستند. همانطور که در شکل 14c نشان داده شده است، ارتعاش کننده تحریک طولی مبدل در جهت محوری طولانی شده است تا حجم ماده کاربردی افزایش یابد تا به یک مبدل کششی نوع II تبدیل شود. همانطور که در شکل 14d نشان داده شده است، پوسته ارتعاش خمشی به شکل دو یا چند بخش طراحی شده و به یک مبدل خمشی نوع III تبدیل شده است. هر دو مبدل خمشی نوع II و نوع III دارای ساختارهای مقعر متناظر هستند.

△ مبدل کششی خمشی با بدنه چرخان تخت. این نوع مبدل توسط یک ارتعاش با انبساط شعاعی هدایت می شود تا پوسته ارتعاشی خمشی متقارن چرخشی را به حرکت درآورد، همانطور که در شکل 15 نشان داده شده است. ویبراتور، شکل 15a مبدل خمشی نوع V حلقه Drive را نشان می‌دهد، b یک مبدل خمشی نوع V با ویفر است، c مبدل خمشی نوع VI است، d و e مبدل‌های انعطاف‌پذیر کوچکی هستند که بر اساس ساختار b ساخته شده‌اند. این دستگاه مبدل سنج نام دارد.

△ مبدل فرکانس پایین ساختار حفره. تشدید کننده هلمهولتز شکل اصلی مبدل آکوستیک زیر آب ساختار حفره ای است، همانطور که در شکل 16 نشان داده شده است. a، b و c سه ساختار اصلی تشدید کننده های هلمهولتز هستند که از تحریک لوله سرامیکی پیزوالکتریک، تحریک دیسک خمشی، و تحریک توپ سرامیکی پیزوالکتریک استفاده می کنند. رزوناتورهای هلمهولتز معمولاً دارای باند فرکانس کاری باریکی هستند و d بر اساس b استفاده می شود. ادبیات یک مدل تجزیه و تحلیل تشدید کننده هلمهولتز کامل تر را ایجاد کرد و رابطه بین ویژگی های کاری و پارامترهای ساختاری تشدید کننده هلمهولتز 300HZ را تجزیه و تحلیل کرد. موروزوف و همکاران یک منبع صدای اندام لوله زیر آب طراحی کرد (نشان داده شده در شکل 17). طراحی شکل 17a تنظیم فرکانس را با حرکت دادن آستین برای تغییر امپدانس سیستم تشدید محقق می کند. فرکانس تنظیم از 225 تا 325 هرتز متغیر است و راندمان تا 80٪ یا بیشتر است که منعکس کننده سیستم Q بالا (ضریب کیفیت) با ویژگی های کارایی بالا است. شکل 17b این طرح از ساختار دو لوله ای با منبع صوتی کروی داخلی برای دستیابی به تشدید فرکانس دوگانه استفاده می کند. رزونانس فرکانس پایین یک تشدید حفره ای است که از یک آستین دو بخش تشکیل شده است. رزونانس با فرکانس بالا فقط رزونانس مربوط به لوله تشدید داخلی است. آستین بیرونی و لوله رزونانس داخلی می تواند از آلومینیوم فلزی یا مواد فیبر کربنی غیرفلزی استفاده کند.

⑵ طراحی نوآورانه مبدل پهن باند

در تاریخ توسعه فناوری آکوستیک زیر آب، اشکال ساختاری مختلفی از مبدل‌های آکوستیک زیر آب تولید شده‌اند که هر کدام با ویژگی‌های کاری مشخص شده توسط ویژگی‌های ساختاری آن مشخص می‌شوند. به منظور انطباق با نیازهای مهندسی کاربردهای باند پهن، تقریباً هر مبدل ساختاری با مشکلات فنی طراحی پهنای باند و بهبود فرآیند مواجه است. در این میان، مبدل طولی یکی از رایج‌ترین شکل‌های ساختاری مبدل‌ها در زمینه پهن باند زیر آب مبدل نتایج تحقیقات طراحی و کاربرد پهنای باند بسیار غنی است. اصول فنی طراحی پهنای باند سایر مبدل های ساختاری اساساً مشابه است. این بخش بر روی یک سری ایده های جدید طراحی مبتنی بر مبدل های طولی برای دستیابی به ویژگی های باند پهن تمرکز دارد.

① مبدل طولی باند پهن ترکیبی

استفاده از ترکیب باند فرکانس قبلاً در مراحل اولیه توسعه فناوری سونار آغاز شده است. کارهای اولیه در دهه 1940 دیده شد. سه مبدل طولی مغناطیسی با فرکانس‌های رزونانس مختلف برای هدایت یک صفحه تابشی مستطیلی و شش مبدل در یک آرایش نردبانی استفاده شد. فرکانس‌های تشدید مستقل مبدل که توسط یک سیم‌پیچ سیم‌پیچ معمولی هدایت می‌شوند، پس از ترکیب، به ترتیب 21.5، 23 و 24.5 کیلوهرتز، Q=12 و Q=4 ​​هستند. اگرچه این روش ترکیبی باند فرکانس به طور دقیق یک مبدل باند پهن نیست، اما هنوز به طور گسترده در زمینه آکوستیک زیر آب، به ویژه در سیستم های صوتی مانند شبیه سازی نویز و فریب های صوتی استفاده می شود. ترکیب دستگاه ویژگی های انتشار باند فوق العاده گسترده را درک می کند.

 

② مبدل طولی باند پهن جفت معین

پوشش جلویی مبدل طولی معمولاً در آنالیز مدل تک بعدی به شکل پیستون ارتعاش می‌کند، یعنی هیچ لرزشی خمشی رخ نمی‌دهد. هنگامی که شاخ سطح تابشی مبدل نسبتاً گسترده است، باید با ارتعاش خمشی همراه باشد، که منطقی است با استفاده از حالت ارتعاش خمشی پوشش جلویی برای جفت شدن موثر آن با حالت ارتعاش طولی، می توان یک مبدل طولی باند پهن طراحی کرد. Literature اثر جفت ارتعاش خمشی و ارتعاش طولی صفحه پوششی تابشی مربعی را مطالعه کرده و یک مبدل پهن باند طراحی کرده است. در ادبیات دیگری، یک دیسک ارتعاشی و خمشی در پوشش تشعشع تعبیه شده است، و دیسک خمشی با حالت ارتعاش مبدل طولی جفت می شود، و مبدل پهن باند همانطور که در شکل 19a نشان داده شده است، طراحی و توسعه یافته است. پشته پیزوالکتریک مبدل طولی را می توان در چندین گروه طراحی کرد. همانطور که در شکل 19b نشان داده شده است، این ساختار اصلی مبدل است که از جفت مودال تحریک دوگانه برای دستیابی به عملکرد باند پهن استفاده می کند. باتلر بر اساس ساختار مبدل طولی تحریک دوگانه است. توسعه عمیق، مانند استفاده از تحریک دوگانه مغناطیسی و پیزوالکتریک هیبریدی برای طراحی یک مبدل طولی باند پهن، و پوشش جلویی برای چسباندن یک لایه منطبق با طول موج 1/4، و طراحی یک مبدل طولی باند فوق عریض کوپلینگ حالت تشدید مرتبه سوم. 37 کیلوهرتز

③ مبدل طولی باند پهن همراه با حفره مایع

طراحی معمولی جفت بین مبدل طولی و حفره مایع مبدل ژانوس-هلمهولتز است (نشان داده شده در شکل 20). مبدل طولی یک ساختار تابشی دو طرفه به نام ژانوس با یک آستین استوانه‌ای طراحی شده برای تشکیل یک حفره تشدید هلمهولتز بین سرهای دوگانه تابشی ژانوس دارد. مبدل تشدید حفره مایع عمومی دارای باند فرکانس کاری باریک است. در کاربرد مشترک Janus، انتقال باند پهن را می توان از طریق طراحی بهینه کوپلینگ مدال تحقق بخشید.

گال دو مبدل ژانوس-هلمهولتز 300 هرتز و 160 هرتز طراحی کرد و تأثیر افزودن یک لوله سازگار در حفره تشدید هلمهولتز را بر ویژگی‌های عملکرد باند پهن مبدل به طور عمیق مورد مطالعه قرار داد.

⒊نوآوری فنی برای بهبود قدرت صدای منتشر شده

راه مستقیم برای افزایش قدرت صوتی یک مبدل صوتی زیر آب، افزایش حجم مبدل، افزایش تعداد و تشکیل یک ماتریس بسته بندی شده است. موثرترین روش استفاده از مواد کاربردی با چگالی بالا است. فصل های قبلی کاربرد مواد کاربردی با چگالی انرژی بالا را توضیح داده اند. این بخش بر نوآوری های فنی در ساختار و فرآیند مبدل های پرقدرت با حجم کم تمرکز دارد.

در توصیف مزایا و معایب اندازه کوچک و ویژگی های توان بالا مبدل، به طور کلی از رقم شایستگی حجم برای اندازه گیری استفاده می شود.

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

فرمول ⑴ فاکتور شایستگی حجم نوع خاصی از مبدل را تعریف می کند، که در آن: Wa قدرت صدا (W)، V حجم مبدل (m3)، f0 فرکانس تشدید (Hz)، Q فاکتور کیفیت است، فاکتور شایستگی حجم دستگاه ارتباط نزدیکی با ساختار و مواد عملکردی دارد. دلانی یک مبدل دیسک منحنی فشرده (Bender) را طراحی و توسعه داد و به طور سیستماتیک ویژگی های کاری فرکانس پایین، اندازه کوچک و عملکرد پرقدرت Bender را تجزیه و تحلیل و مطالعه کرد.

 

 

مقالاتی وجود دارد که مبدل کشش خمشی ساختار مقعر نوع I (نوع بشکه مقعر) را به یک ترکیب فشرده‌تر طراحی می‌کند، که خوشه‌های مبدل چندگانه را در حجم محدود قادر می‌سازد تا جابجایی حجم را به حداکثر برسانند و به ویژگی‌های قدرت بزرگ دست یابند، همانطور که در شکل 21 نشان داده شده است، راس 6 مبدل منعطف خمشی نوع I با هم به صورت دسته‌ای شکل گرفته‌اند. مبدل خمشی ستاره، که دارای ویژگی های ساختار فشرده، فرکانس پایین، توان بالا و باند فرکانس وسیع است: فرکانس تشدید بنیادی پاسخ ولتاژ ارسال در فرکانس 1.15 کیلوهرتز 127 دسی بل، همه جهته و پاسخ ولتاژ ارسال از 800 هرتز تا 10 کیلوهرتز بیشتر از 1 است. پارامتر FOMv در ادبیات ارائه نشده است و انتظار می رود که معادل یا بالاتر از مبدل خمشی 'ستاره شکل' باشد.

طراحی و تحلیل فوق برای دستیابی به اندازه کوچک و توان بالا اساساً از محدودیت های الکتریکی و مکانیکی شروع می شود و فقط چگالی انرژی مواد کاربردی و حد ارتعاش سازه را در نظر می گیرد. هنگامی که مبدل نیاز به پالس طولانی یا کار مداوم دارد، گرما و اتلاف حرارت مبدل بزرگترین مشکل در شرایط توان بالا خواهد بود. در این زمان، حد حرارتی عامل اصلی محدود کننده قدرت نهایی مبدل است. حد حرارتی مبدل یکی از مسائل اساسی مهمی است که در مهندسی مورد توجه قرار می گیرد. درست مانند جزئیات فرآیند مبدل، مقالات تحقیقاتی زیادی گزارش نشده است. مقالاتی برای مدل‌سازی و تحلیل مشکلات حرارتی مبدل‌های فرکانس پایین و توان بالا و بحث در مورد مشکلات هدایت حرارتی مبدل‌های انعطاف‌پذیر ژانوس-هلمهولتز و نوع IV وجود دارد. هنگامی که مبدل در آب کم عمق کار می کند، به خصوص فرکانس پایین و انتقال توان بالا، افزایش قدرت صوت نیز توسط حد صوتی فاکتور کاویتاسیون محدود می شود. در این زمینه، روش افزایش توان یک مبدل دیگر کارآمد نیست. آرایه پایه نیز محدود خواهد شد، به طوری که تنها یک راه برای تشکیل یک آرایه پایه پراکنده وجود دارد.

بنابراین، هنگام طراحی مبدل های فرکانس پایین و پرقدرت، لازم است که فرم سازه و مواد عملکرد محرکه را با در نظر گرفتن عواملی مانند حد الکتریکی، حد مکانیکی، حد حرارتی و حد صوتی به طور منطقی انتخاب کرده و به تحلیل کلی و بهینه سازی جامع بپردازیم. یک رابطه بهینه بین توان حدی و حجم مبدل وجود دارد. تحقیقات عمیق در این زمینه یکی از جهت گیری های فنی مبدل های فرکانس پایین و توان بالا در آینده خواهد بود.

 

⒋نوآوری فن آوری برای افزایش مقاومت فشار هیدرواستاتیک

در حال حاضر، جامعه دانشگاهی ایده های توسعه ای مانند اقیانوس های شفاف و اقیانوس های اطلاعاتی را پیشنهاد کرده است. هدف این است که به فناوری اطلاعات زیر آب اجازه دهیم تمام گوشه های اقیانوس، از جمله مناطق قطبی و گودال های پرتگاه را پوشش دهد. بنابراین، آنها الزاماتی را برای استفاده از مبدل های صوتی زیر آب در عمق بیشتر مطرح کردند. حتی توانایی کار در دریاهای عمیق را به چالش بکشید. ظرفیت مقاومت فشار هیدرواستاتیک مبدل با ساختار مبدل ارتباط نزدیکی دارد، به ویژه برای مبدل های انتشار فرکانس پایین با استحکام ساختاری پایین. حل فناوری ساختار مقاومت فشار هیدرواستاتیک به موضوع مهمی در زمینه فناوری مبدل فعلی تبدیل شده است. روش‌ها و ابزارهای مؤثر فعلی برای حل عمق کار عمدتاً شامل پر کردن سیال، پر کردن سیال مطابق با لوله سازگار، پشتیبانی ساختاری طبیعی، جبران سیلندر گاز با فشار بالا، جبران کیسه هوا و غیره است، تنها روش فنی مؤثر، فناوری پر کردن سیال است، از جمله نوع روغن سرریز آزاد که مستقیماً از آب پرکننده روغن با فشار سرریز آزاد استفاده می‌کند. تعادل؛ در 1000 متر، لوله انطباق مقاوم در برابر فشار را می توان همزمان در حفره مایع استفاده کرد تا انطباق حفره مایع را بهبود بخشد. در 200 متر، تکیه گاه طبیعی سازه می تواند فشار هیدرواستاتیک را تحمل کند. برخی از مبدل‌ها با سفتی ساختاری بسیار کم (مانند مبدل‌های سیم پیچ متحرک) می‌توانند از سیلندرهای هوای فشار بالا برای جبران فشار استفاده کنند. به طور کلی، در 100 متر، می توان از جبران کیسه هوا استفاده کرد. مبدل ساختار حفره ای که در بالا معرفی شد به طور کلی می تواند به عنوان یک حالت کاری پر از مایع برای دستیابی به کار در آب های عمیق طراحی شود. در این بخش، چندین نمونه کاربردی از طراحی سازه های روغنی آورده شده است.

 

کار تحقیقاتی کندیگ که در سال 1965 منتشر شد، استفاده ترکیبی از 4 مبدل طولی دیسکی پیزوالکتریک پیزوالکتریک PZT-4، پر شده با روغن سیلیکون برای محافظت از فضای خالی ایجاد شده بین پوسته فولادی (شامل صفحه لاستیکی انتقال دهنده صدا) و مبدل حفره به محفظه مجدد متصل است. لاستیک نفوذپذیر در قسمت جلو و پنجره لاستیکی انتهای عقب با آب دریا در تماس هستند تا به تعادل فشار داخلی و خارجی برسند. پهنای باند کاری مبدل 30-50 کیلوهرتز است و کار در محدوده فشار هیدرواستاتیک 0-6.9 مگاپاسکال به صورت تجربی مورد مطالعه قرار گرفته است. مشخصه، این روش تعادل فشار هنوز در بسیاری از آرایه های سونار در آب های عمیق استفاده می شود. شکل 22b یک مبدل حلقوی سرریز آزاد با ساختار پر از روغن را نشان می دهد. حلقه سرامیکی پیزوالکتریک در یک آستین لاستیکی پلی اورتان آویزان شده است و داخل آن با روغن سیلیکون پر شده است تا تعادل فشار با دنیای خارج حاصل شود. آستین لاستیکی پلی اورتان مواد انتقال دهنده صدا ایده آل است، این نوع مبدل دارای ویژگی های کاری مشابه با فرم پوشش تزریق مستقیم لاستیک پلی اورتان است. برای لوله گرد PZT-4 Φ 150mm ×Φ 140mm × 50mm، تجزیه و تحلیل شبیه سازی و مطالعه آزمایشی لاستیک پلی اورتان در محدوده فرکانس 5 ~ 10kHz مواد آستین با آلیاژ تیتانیوم یا فولاد جایگزین می شود. در نتیجه، آلیاژ تیتانیوم پاسخ ولتاژ انتشار را تا حدود 6 دسی بل کاهش می دهد و فولاد پاسخ ولتاژ انتشار را تا حدود 12 دسی بل کاهش می دهد.

 

3. نتیجه گیری

با نگاهی به تاریخ توسعه صد ساله فناوری مبدل، از تولد اولین مبدل پیزوالکتریک تا توسعه شدید فناوری مبدل مدرن، نوآوری‌های تکنولوژیکی در مبدل‌های صوتی زیر آب اغلب پدیدار شده‌اند. اهداف اصلی نوآوری و توسعه فناوری مبدل عبارتند از: ساده‌سازی فرآیندهای پیچیده، شکستن تنگناهای فنی، بازنویسی محدودیت‌های فنی، بهبود عملکرد فنی جامع، پیشنهاد مفاهیم جدید و مکانیسم‌های جدید، ایجاد و توسعه جهت‌های فنی جدید، تعمیق و کامل کردن نظریه سیستم‌های مبدل و غیره. این مقاله برخی از موارد تحقیقاتی را معرفی می‌کند که نشان‌دهنده طراحی نوآورانه و ساخت نفیس مبدل از جنبه‌های کاربرد مواد جدید، ساختار و فناوری مبدل جدید و غیره است.