Uuden tyyppinen vedenalainen akustinen kaikuanturi ja uusi anturitekniikka

Akustiset aallot ovat ainoa ihmisillä oleva kantaja, joka voi välittää tietoa ja energiaa pitkiä matkoja valtavassa valtameressä. Maalla ihmiset käyttävät sähkömagneettisia aaltoja tutkien kehittämiseen. Samoin ihmiset käyttävät akustisia aaltoja tiedonvälittäjinä kehittääkseen vedenalaisia ​​kohteita havaitsemista varten sekä elektronisia laitteita paikannukseen, tunnistamiseen ja tiedonsiirtoon. Laajaa valtamerta päin oleva luotain on tärkeä tehtävä, joka ulottuu laajan valtameren kaikkiin kulmiin, tunnistaa siinä erilaisia asioita, jotka kertovat ihmisille vedenalaisen maailman todelliset kasvot ja auttavat ihmisiä tutkimaan valtameren mysteereitä, jotta he voisivat tulla vedenalaiseen viestintään, miksi aaltotutkimusta, miksi aaltotutkimusta, meren geologiaa ja meren geologiaa. Paras vedenalainen tiedonvälittäjä on, että vesiväliaineissa ääniaalloilla on pienin vaimennuskerroin verrattuna muihin fyysisiin kenttiin, kuten sähkömagneettisiin aaltoihin, ja ne voidaan siirtää pitkiä matkoja. Tämä etu tekee kaikuluotaimesta ultraääniaaltoja tarkkailemaan vedenalaista alusta alkaen. Tavoite alkaa ja kehittyy edelleen. Tällä hetkellä kaikuluotaimen toimintataajuusaluetta on laajennettu laajalle alueelle. Aktiivinen luotain on laajennettu kymmenistä hertseistä kymmeniin MHz:iin ja passiivisen kaikuluotaimen matalataajuinen pää on laajennettu infraäänialueelle. Näin laajalla taajuuskaistalla, määräysten mukaan, tärkeää laitetta, joka stimuloi ja tuottaa ääniaaltoja signaalien ja aistien muodossa ja vastaanottaa ääniaaltoja vedessä ilman vääristymiä, kutsutaan luotainmuuntimeksi tai kaikuluotaimeksi. Nämä laitteet ovat kaikuluotaimen etulaitteita sekä kaikuluotaimen 'ikkuna' vuorovaikutuksessa veden kanssa ja tietojen vaihtoa varten, ja ne ovat luotainjärjestelmän toimintojen 'toteuttajia' kaikuluotaimille tai kaikuluotaimille. Sitä kutsutaan elävästi 'silmien ja korvasilmien 'sonarijärjestelmäksi'. Luotaintekniikan sovellusalueen jatkuvan laajentumisen ja sotilaallisen vastakkainasettelun ja taistelun jatkuvasti kasvavan kysynnän myötä uusia periaatteita, uusia tekniikoita ja uusia luotainlaitteita on noussut esiin yksi toisensa jälkeen, yksi toisensa jälkeen. Uuden luotaintekniikan kehitysvaatimukset ovat johtaneet anturitekniikan nopeaan kehitykseen ja samaan teknologiseen läpimurtoon muuntimien alalla sekä uusien materiaalien, uusien mekanismien ja uusien rakenteiden kehittämisessä. Vedenalaiset akustiset muuntimet ovat myös tehneet luotainjärjestelmästä 'virkistävän'. Tässä on lyhyt katsaus anturiteknologian kehitystilanteeseen viime vuosina perustuen tekijän tietoon ja rajalliseen ymmärrykseen. Se sisältää pääasiassa uuden materiaalin hydroakustisen muuntimen, uuden rakenteen ja uuden mekanismin hydroakustisen muuntimen, uudentyyppisen hydrofonin, laajakaistaanturiteknologian ja niin edelleen.

 

2 Uutta materiaalia vedenalainen akustinen anturi

 

Muunnin on laite, joka toteuttaa energian muuntamisen luotainjärjestelmässä. Muuntimessa on erityinen materiaali, jolla on kyky muuntaa energiaa. Tätä materiaalia kutsutaan toiminnalliseksi materiaaliksi. Antureiden valmistukseen käytettyjä funktionaalisia materiaaleja ovat pääasiassa pietsosähköiset materiaalit (kuten pietsosähköiset kiteet, pietsosähköinen keramiikka, pietsosähköiset polymeerit jne.) ja magnetostriktiiviset materiaalit (kuten nikkeli, koboltti, nikkeli-rautaseokset, ferriitit, harvinaisten maametallien rautaseokset jne.), ne toteuttavat keskinäisen muuntamisen pietsosähköiseksi vaikutukseksi ja käyttävät pietsosähköistä vaikutusta. sähkökenttäenergia tai magneettikentän energia ja mekaaninen energia. Anturiteknologian läpimurto määräytyy pohjimmiltaan toiminnallisten materiaalien teknologisesta läpimurrosta. Viime vuosina erilaiset tekniset saavutukset funktionaalisten materiaalien saralla ovat tuoneet aamunkoittoon myös anturiteknologian kehitystä. Lääkäri havaitsi, että harvinaisten maametallien lantanidiaineilla on hämmästyttäviä magnetostriktiivisia ominaisuuksia, mutta niitä ei ole käytetty käytännössä, koska curie-piste on alhaisempi kuin huoneen lämpötila. Myöhemmin havaittiin, että harvinaisten maametallien alkuaineista ja raudasta koostuvilla binääri-, kolmi- tai kvaternääriseoksilla on myös jättimäisiä magnetostriktiivisia ominaisuuksia huoneenlämpötilassa. Edustavin harvinaisten maametallien metalliseos on Terfenol-D (koostumus Tb0.27Dy0.73Fe1). 95), siitä on tullut uudenlainen toiminnallinen materiaali, joka on herättänyt paljon huomiota 1980-luvulta lähtien. Rentouttava ferrosähköinen yksikiteinen lyijy-magnesiumniobaatti-lyijy-titanaatti (PMN-PT) ja lyijy-sinkkiniobaatti-lyijy-titanaatti (kutsutaan nimellä PZN-PT) ovat uudentyyppisiä komposiittiperovskiittikidemateriaaleja, ja ne ovat myös nousemassa Luokka uusia toiminnallisia materiaaleja, joilla on suuret käyttömahdollisuudet. Ennen tätä nikkeliä käytettiin yleisesti muuntimien materiaalina. Vuonna 1917 ranskalainen tiedemies Langevin teki kvartsikiteellä varustetun kaikuluotaimen, mikä loi ennakkotapauksen pietsosähköisten materiaalien käytölle kaikuluotaimessa 1940-luvulla. Vahvat pietsosähköiset ominaisuudet omaavaa BaTiO3 pzt -keramiikkaa kehitettiin menestyksekkäästi ja niitä käytettiin laajalti luotainjärjestelmissä. 1950-luvulla kehitetyllä PZT-pietsosähköisellä keramiikalla on laaja käyttölämpötila-alue ja erinomaiset sähkömekaaniset ominaisuudet. Muunnostehokkuus korvaa Ba TiO3-keramiikan riittämättömyyden ja siitä tuli aikoinaan vedenalaisten akustisten muuntimien materiaali. Niiden joukossa pietsosähköinen keraaminen materiaali, jolla on korkea energiatiheys, on PZT-8. Yksinkertainen vertailu edellä olevista materiaaleista: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT voivat tuottaa noin 5 kertaa enemmän jännitystä kuin PZT-8 ja 50 kertaa nikkeli; PMN-PT:n ja PZN-PT:n pietsosähköiset vakiot ovat d33. Se on 6-8 kertaa PZT-8 materiaaliin verrattuna. Näiden pzt-materiaalien käyttö uusien vedenalaisten akustisten muuntimien kehittämiseen on yksi tämän hetken kuumista aiheista.

 

Magnetostriktiivinen materiaali sylinterin vedenalainen akustinen muunnin on harvinainen, mikä maan jättiläinen magnetostriktiivinen materiaali käyttää magnetostriktiivista vaikutusta magneettikentän energian ja mekaanisen energian keskinäisen muuntamisen toteuttamiseen, ja sitä käytetään pääasiassa matalataajuisten ja suuritehoisten vedenalaisten akustisten emissioanturien kehittämiseen. Se on eräänlainen 'monimutkainen' rakenne anturin korkean lämpötilan superjohtavasta magnetostriktiivisesta hydroakustisesta anturista. Anturin rakenteen näkökulmasta sen rakenne on hyvin yksinkertainen. Se on tavallinen kahden säteilijän pitkittäisanturi. Niin kutsuttu 'kompleksi' viittaa tässä sen rikkaaseen fyysiseen konnotaatioon. Harvinaisten maametallien metalliseosmateriaalien magnetostriktiivinen voima alhaisessa lämpötilassa on suurempi kuin huoneenlämpötilassa. Esimerkiksi Tb0.6Dy0.4:n magnetostriktiivinen enimmäiskanta 77 K:n lämpötilassa on 0,65 %, kun taas Terfenol-D on huoneenlämpötilassa. Suurin magnetostriktiivinen jännitys on 0,25 %. Kehitetty Tb0.6Dy0.4-materiaalista magnetostriktiivinen hydroakustinen muunnin, jonka lämpötila-alue on 50-60K: Harvinaisen maametallin sauvan muotoinen materiaali sijoitetaan ilmastointihuoneeseen ja jääkaapin jäähdytystorni jäähdytetään syklisesti ja ilmastointihuoneessa on coil-suprajohtava materiaali. Bias-magneettikenttä ja viritysmagneettikenttä herättävät magnetostriktiivisen sauvan tuottamaan venytysvärähtelyä, joka välittyy mäntätyyppiselle säteilevälle pinnalle mekaanisen siirtymäkappaleen kautta, ja mäntätyyppinen säteilevä pinta työntää vesiväliainetta paineaaltosäteilyn tuottamiseksi. Rakenteeseen on suunniteltu alipainekammio lämmönjohtavuuden eristämiseksi. Tyhjiökammion ulkoseinä on kupumainen paineenkestävä kansi, joka kestää 10 ilmakehän painetta. Tärkeimmät tekniset parametrit ovat seuraavat: resonanssitaajuus 430 Hz, maksimi äänilähteen taso 181. 4db, hyötysuhde on noin 25 %. Tämän tyyppisen anturin valmistusprosessi on monimutkainen. Viime vuosina ihmiset ovat edelleen valmiita käyttämään huoneenlämmössä toimivaa terfenoli-D-materiaalia, luopumaan magnetostriktiivisesta rasituksesta ja korvaamaan sen uudella rakenteella saavuttaakseen erinomaisen säteilytehokkuuden. Seuraavassa on lyhyt johdatus useiden rakenteellisten magnetostriktiivisten materiaalien tutkimuksen edistymiseen vedenalaisissa akustisissa muuntimissa. Pituussuuntaisella anturilla on yksinkertainen rakenne. Magnetostriktiivinen sauva yhdistetään etuosan säteilevän pään ja hännän massaan muodostamaan samanlainen yksiulotteinen värähtelyjärjestelmä. Etuosan säteilevä pää on yleensä valmistettu kevyistä materiaaleista, ja hännän massa on yleensä valmistettu tiheistä materiaaleista säteilevän pinnan saavuttamiseksi. Tuottaa suurempi tärinäsiirtymä. Kaksi pitkittäisanturia, jotka on kehitetty Terfenol-D materiaaleista, otetaan käyttöön. Yksi on yleinen pitkittäisanturi, jonka resonanssitaajuus on 1200 Hz, ääniteho 3 kW ja anturin paino 60 kg; toinen on harvinaisen maametallin sauva molemmissa päissä. Suunniteltu torvimaiseksi kaksipäiseksi säteileväksi pitkittäisanturiksi, resonanssitaajuus on 400 Hz, ääniteho 1,5 kW ja anturin paino jopa 100 kg. Renkaan muotoinen anturi: säännöllinen monikulmio, jota ympäröi useita harvinaisten maametallien sauvoja, ja sarja pyöreitä kaaripintoja viritetään siirtymäkappaleella säteittäisen värähtelyn aikaansaamiseksi tehokkaan akustisen säteilyn aikaansaamiseksi. Sarja harvinaisten maametallien pientaajuisia suuritehoisia toroidimuuntimia on kehitetty, mukaan lukien muuntimet, joiden resonanssitaajuus on 200 Hz (sisähalkaisija 0,56 m, ulkohalkaisija 0,94 m, korkeus 0,37 m, äänilähteen taso 193 dB, paino 410 kg) ja muuntaja, jonka resonanssitaajuus on 30 metri, korkeus 30 Hz, 1 mm. äänilähteen taso 195dB, paino 5t). Flextensionaalinen anturi on eräänlainen anturi, joka käyttää pietsosähköisen keraamisen pinon tai magnetostriktiivisen sauvan pitkittäistä värähtelyä kuoren (tai piippusäteen) säteilypinnan virittämiseen amplitudivahvistusvaikutuksella taivutusvärähtelyä varten. Useita yleisesti käytettyjä muuntimia on lueteltu Joustojännitysantureiden tyyppejä, joista I, II ja III on samat ominaisuudet. Pitkittäinen värähtelevä sauva herättää pyörimissymmetrisen kaarevan kuoren. Kuori voi olla jatkuva rakenne tai palkkiryhmäksi leikattu rakenne. Purcell käytti Terfenol-D-materiaalia kehittääkseen koveran piippusäteen taivutusjännitysanturin (tyyppi III), jonka resonanssitaajuus on 1300 Hz, äänilähdetaso 188,7 dB ja kaistanleveys 600 Hz. Yhden sauvan avoimen magneettipiirin käytön ansiosta resonanssitaajuus on Suurin AC-sähköakustinen hyötysuhde on vain 7%, ja anturin paino on 2,7 kg. Kalahuulen taipuisantureilla on yhteisiä ominaisuuksia. Muunnin viritetään pitkittäisellä värähtelevällä sauvalla kuperan tai koveran elliptisen kuoren taivuttamiseksi suuren tehon säteilyn saavuttamiseksi. Kala-huulen flextensionaalinen anturi ottaa käyttöön amplitudin vahvistusvaikutuksen. Pinta-alalla painottamisen vaikutus lisää äänen säteilytehoa. Raportoitu tämän uudentyyppisen matalataajuisen suuritehoisen vedenalaisen akustisen muuntimen mukaan lukien resonanssitaajuudet 210 Hz, 450 Hz, 800 Hz ja 1200 Hz, tämän uudentyyppisen muuntimen tutkimustuloksia käytetään tällä hetkellä aktiivisessa matalataajuisessa akustisessa akustisessa järjestelmässä. kohdeäänilähteet ja melusimulaattorit.

 

Rentouttava ferrosähköinen materiaali vedenalainen akustinen anturi

 

Relaxor-ferrosähköiset materiaalit ovat eräänlaisia ​​potentiaalisia toiminnallisia materiaaleja, jotka voidaan jakaa sähköstriktiivisiin keraamityyppeihin ja relaxorferrosähköisiin yksikidetyyppeihin. Relaksoriferrosähköisten yksittäiskiteiden valmistusprosessi on paljon monimutkaisempi kuin sähköstriktiivisten keraamisten materiaalien valmistusprosessi. Tutkijat ovat käyttäneet näitä materiaaleja monien tyyppisten muuntimien, kuten taivutusanturien, pitkittäismuuntimien ja niin edelleen, valmistukseen. Tämän tyyppisen materiaalin anturin valmistustekniikka on monimutkaisempi, ja siihen on lisättävä DC-bias-sähkökenttä, kohdistettava esijännitystä ja säädettävä prosessin lämpötilaa. PMN-PT-BT (lyijy-magnesiumniobaatti-lyijy-titanaatti-bariumtitanaatti) sähköstriktiivisen keramiikan käyttö kehitti IV-tyypin fleksijännitysanturin. Tutkimustulokset osoittavat, että kehitetty anturi ei ole maksimoinut materiaalin potentiaalia. Tämä työ tulee olemaan edelleen yksi kuumista kohdista, joita on tutkittava vedenalaisten akustisten muuntimien alalla jonkin aikaa. Käyttämällä PMN-PT-relaksoriferrosähköistä yksikidemateriaalia tutkimaan 64 kanavaa 3,5 MHz:n ultraääniluotaimessa, jota käytetään lääketieteellisissä B-ultraääni- ja Doppler-väriultraäänikuvantamislaitteissa, mikä viittaa siihen, että relaxor ferrosähköinen yksikidemateriaali korkeataajuisessa kuvaluotaimessa.

 

Pietsosähköinen polymeerikalvo pallomainen vedenalainen akustinen muunnin voidaan tehdä joustavaksi kalvoksi, ja anturi voidaan suunnitella mihin tahansa muotoon anturia valmistettaessa, ja materiaalin akustinen impedanssi on alhainen, ja impedanssi on helppo saavuttaa vedellä ja muilla nestemäisillä väliaineilla ja biologisilla kudoksilla. Yhteensopivuus, jota käytetään usein korkeataajuisten standardihydrofonien, suurtaajuisten muuntimien, lääketieteellisten ultraääniantureiden, konformisten ryhmien ja monipuolisten komposiittianturiryhmien valmistukseen, yleisesti käytetty pietsosähköinen polymeeri muuntimien valmistukseen on pääasiassa polyvinylideenifluoridia (PVDF). Tällä hetkellä katseenvangitsijampi pietsosähköinen polymeerimateriaalikalvo EMFi (lyhenne sanoista electro mechanicalfil) on eräänlainen polypropeenivaahto joustava kalvo, jonka pietsosähköinen vakio on noin 10 kertaa suurempi kuin PVDF:n, jota voidaan käyttää erittäin herkkien anturien valmistukseen. EMFi-ohutkalvoanturin rakenteen vastaanottopinnan halkaisija on 35 mm ja anturin vastaanottoherkkyys on suurempi kuin -190 dB (viitearvo on 1V/μPa). Tällaista anturia voidaan käyttää myös ilmassa ääniaaltojen vastaanottamiseen tai lähettämiseen.

 

Vedenalaisen akustisen anturin uuden rakenteen ja erilaisten transduktiomekanismien esittely. Toiminnalliset materiaalit ovat tärkeitä anturissa, mutta niitä pitää pelata sopivalla rakenteella. Siksi anturin rakenteellinen suunnittelu näyttää olevan erityisen tärkeä anturiteknologian kehittämisessä. tärkeä. Eri sovellusalojen ja erilaisten teknisten vaatimusten tai erilaisten transduktiomekanismien ja toiminnallisten materiaalien ominaisuuksien mukaan erityyppisiä muuntimia on ilmestynyt peräkkäin, joista monet yhdistävät monitieteisiä teknologioita yhteisen tiennäyttämiseksi Tekniset vaikeudet joidenkin erityisten teknisten vaatimusten täyttämiseksi. Korkean lämpötilan suprajohtava magnetostriktiivinen hydroakustinen muunnin on tyypillinen esimerkki. Tämän artikkelin edellisessä sisällössä ja myöhemmin esitettävissä anturityypeissä monet ovat myös uusia rakenteita ja uusia mekanismeja vedenalaisten akustisten muuntimien osalta. Toistumisen välttämiseksi tässä osiossa mainitaan vain kaksi muuta malliesimerkkiä uusista rakenteista.

 

Symbaalityyppinen (symbaali) muunnin on eräänlainen uuden rakenteen anturi, joka on samanlainen kuin flextensional anturi. Jokainen symbaalityyppinen anturi koostuu kahdesta PZT pietsosähköisestä keraamisesta kiekosta ja yhdestä. Metallikansi on liimattu yhteen. Pietsosähköinen keraaminen PZT-levy käyttää vaihtojännitettä säteittäisen värähtelyn synnyttämiseksi metallikannen virittämiseksi taivutusvärähtelyä varten, ja anturin kohotettu metallisuojus tuottaa 'laajenemis-kutistuminen' vuorottelevaa värähtelyä. Säteilyn ääniaallot. Kun sama vaihtuva paineaalto vaikuttaa metallikanteen, paine välittyy PZT pietsosähköiseen keraamiseen kiekkoon ja vaihtojännite lähtee vastaanottoanturina käytettävän keraamisen levyn kahdesta napasta. Symbaalityyppisen anturin resonanssitaajuus vedessä on 16,1 kHz ja emissiojännitevaste on 130 dB (viitearvo on 1 μPa/V, 1 m:ssä). Kuvassa 5 on myös valokuva 9 elementin matriisista, joka koostuu tämän tyyppisestä muuntimesta. . Kierrejousityyppisessä matalataajuisessa pietsosähköisessä muuntimessa pietsosähköinen keramiikka prosessoidaan kierrejousen muotoiseksi (kuten kuvassa 6),Pietsosähköinen keraaminen muunnin polarisoidaan tangentiaalisessa suunnassa, ja sitten muodostetaan virityselektrodipari. Neutraaliosio, jossa ei ole elektrodeja keskellä, erotetaan muodostaen ulomman rengaselektrodiparin 1 ja sisemmän rengaselektrodiparin 2 (katso pienen fragmentin suurennettu kaaviokuva kuviosta 6). Tällä tavalla viritysjännite V kohdistetaan elektrodipariin, ulkorengaselektrodiparin ja sisemmän rengaselektrodiparin ohjaama pietsosähköisen keramiikan osa tuottaa vastakkaisia ​​värähtelyjä (laajeneminen tai supistuminen), ja jousijärjestelmän laajenemis- ja supistumisliike saa männän työpinnan värähtelemään äänienergiaa. Tämän rakenteen alhaisen jäykkyyden vuoksi sillä on alhainen resonanssitaajuus ja sitä voidaan käyttää matalataajuisena lähettävänä muuntimena. Kun sitä käytetään vastaanottimena, sillä on myös korkea herkkyys matalilla taajuuskaistoilla. Pietsosähköisestä yhtälöstä lähtien saatiin tämän tyyppisen muuntimen sähkömekaaninen muunnossuhde ja tehtiin jonkin verran tutkivaa tutkimustyötä.

 

Johdatus erilaisiin vedenalaisten akustisten muuntimien energian muunnosmekanismeihin Energian muuntamisen näkökulmasta anturit voidaan jakaa pääasiassa pietsosähköisillä muuntimilla, jotka käyttävät pietsosähköistä vaikutusta energian muuntamiseksi, ja magnetiikoihin, jotka käyttävät magnetostriktiivista vaikutusta energian muuntamiseksi. Sisäänvedettävät muuntimet, edellä olevaan sisältöön liittyvät muuntimet kuuluvat näihin kahteen tyyppiin.