Vedenalaisen akustisen anturiteknologian tutkimuksen edistyminen ja kehitysmahdollisuudet (2

 Syvän veden antureiden tutkimuksen edistyminen

 

Syvänmeren avaruus on nykyisen merisotilaallisen kilpailun uudet komennot. Yksi maani merenkulun strategisista tavoitteista on siirtyä kohti syvän sinistä. Syvänmeren akustisten laitteiden kehittäminen edistää jatkuvia läpimurtoja syvänmeren anturitutkimuksessa. Tämän artikkelin luvussa 1.1 esitellyistä matalataajuisista antureista kaareva levymuunnin ja ylivuotoontelorakenteinen putkipalkkikytkentärengasanturi ovat myös suunnitteluesimerkkejä syvänmeren antureista. En toista niitä tässä, vaan esittelen joitain tyypillisiä. Uudet syvänmeren antureiden tutkimustulokset.

 

Kuvassa 7a on kaksi pääasiallista Helmholtsia vedenalaiset akustiset anturirakenteet , joissa käytetään loppuviritystä ja väliviritystä. Nesteontelon resonanssitaajuuden teoreettinen tutkimus elastisten seinämien olosuhteissa. Kuvassa 7b on esitetty suunniteltu monionteloinen matalataajuinen laajakaistaanturi, joka käyttää ylivuotoputkianturia virityslähteenä. Matalataajuinen ja suuritehoinen Janus-Helmholtz-anturi, joka on suunniteltu kuviossa 7c; Lisäksi Janus-Helmholtz-anturin ontelosylinteriä ulottamalla männän säteilyn etuosaa kohti Janus-säteilijän suulle muodostuu uusi nesteontelo. Monionteloinen Janus-Helmholtz-anturi (kuva 7d) mahdollistaa muuntimen leveämmän toimintataajuuskaistan. Kuva 7e esittää suunniteltua ylivuotorenkaan syvävesianturia vedenalaiseen akustiseen viestintään. Suunnittelussa hyödynnetään nesteonteloresonanssin ja pyöreän renkaan säteittäisen värähtelyn kytkentävaikutusta laajakaistaisten toimintaominaisuuksien saavuttamiseksi. Kuvassa 7f on esitetty ylivuotorenkaan syvänmeren laajakaistaanturin suunniteltu puoliavaruussuuntaus. Metallialustaa käytetään parantamaan anturin pystysuuntaisuutta ja vaimentamaan takasäteilyä. Kuvassa 7g suunniteltu syvänmeren laajakaistainen pitkittäisanturi. Anturi käyttää pitkittäisvärähtelyn ja etukannen taivutusvärähtelyn kytkentää laajakaistaisen toiminnan saavuttamiseksi. Anturi on kapseloitu titaaniseoksesta paineenkestävään koteloon, ja kotelo ja anturi on täytetty silikoniöljyllä. , Painetasapainolaitteen kautta syvän veden työskentelyn saavuttamiseksi.

 

Kuva 7 Deepwater-anturi

1.4 Vektorihydrofonin tutkimuksen edistyminen

Ihmisten syvä huomio äänikentän vektoriinformaatioon ja sen tärkeyteen vektorihydrofonitutkimus , vektorihydrofoniteknologia kehittyy edelleen ja siitä on tullut yksi kansainvälisistä tutkimuskeskuksista viime vuosina. 2000-luvulla kotimaani vektorihydrofonisovellustutkimus on aktiivisinta. Vuoden 2014 lopun tilastotulosten mukaan lähes puolet kansainvälisten vektorihydrofonien ja niiden sovellusten alan akateemisista saavutuksista tuli kotimaastani. Tässä on lyhyt johdatus vektorihydrofonien viimeaikaiseen tutkimuksen edistymiseen.

 

Tyypillinen vektorihydrofonin rakenne on yhteismoodi. Yhdistelmämuotoinen vektorihydrofoni valmistetaan kapseloimalla inertiaherkkiä elementtejä (värähtelykiihtyvyysmittarit, nopeusmittarit jne.) pallomaiseen tai sylinterimäiseen kuoreen. Sen toimintaperiaate perustuu jäykän pallon tai sylinterin ominaisuuksiin, joka tekee värähtelevän liikkeen äänikentän vaikutuksesta ja on yleensä suunniteltu nollaa kelluteen (kuva 8a). Teoria ja tekniikka tällä alalla ovat suhteellisen kypsiä. Nykyään käytetään uudentyyppisiä pietsosähköisiä yksikidemateriaaleja PMNT ja PZNT vähentämään hydrofonin äänenvoimakkuutta, lisäämään herkkyyttä ja vähentämään omakohinaa. Vektorihydrofoneja käytetään pääasiassa rantajärjestelmissä, hinattavissa järjestelmissä ja sivuryhmissä. Matalataajuisia vektorihydrofoneja käytetään myös meriympäristön melun mittauksessa, upotettavissa/poijuissa ja muissa järjestelmissä.

Kuva 8 Vektorihydrofoni

Kuva 8b on yhteisvärähtelevä pylväsvektorihydrofoni, joka voidaan asentaa kiinteästi. Sen perusperiaate ei ole muuttunut. Rakenteessa ripustusrunko korvataan kiinnitystangolla ja ripustusjousi vaihdetaan kumijouseksi. Tämän rakenteen sovellusskenaario voidaan laajentaa kiinteään asennukseen alustan alustalle.

 

Mikroelektromekaanisen käsittelytekniikan (MEMS) kehityksen myötä MEMS-tekniikkaa on sovellettu vektorihydrofonien suunnitteluun ja kehittämiseen. MEMS-tekniikka voi integroida mikroelektronisia komponentteja, kuten herkkiä yksiköitä, ohjauspiirejä, hiljaisia ​​sovituspiirejä ja näytteenoton esikäsittelymoduuleja. Yhdessä akustinen signaali muunnetaan sähköiseksi signaaliksi. Tyypillinen työskentelytapa on käyttää mikrokiihtyvyysanturia herkänä elementtinä (kuva 8c), käyttää yksikiteisen piin pietsoresistiivisen vaikutuksen periaatetta herkän sirun suunnittelussa ja kehittää kolmiulotteinen yhteisvärähtelyn sylinterimäinen komposiitti MEMS-vektorihydrofoni. Toinen työskentelytapa perustuu bioniikan periaatteeseen, jäljittelee kalan lateraalisten mekaanisten anturisolujen periaatetta veden liikkeen havaitsemiseksi ja suunnitteli MEMS-pietsoresistiivisen vektorihydrofonin (kuva 8d).

 

Optinen kuituhydrofoni on yksi onnistuneista optisen kuidun tunnistustekniikan sovelluksista vedenalaisessa akustiikkassa. Se näyttää tekniset ominaisuudet korkean herkkyyden, alhaisen melun, suuren dynaamisen alueen ja häiriöneston. Viime vuosina sitä on käytetty laajalti myös vektorihydrofoneissa. Tutkijat ovat suunnitelleet ja kehittäneet kuituoptisen vektorihydrofonin. Kuva 8e on kolmiulotteinen sylinterimäinen kuituoptinen vektorihydrofoni. Bragg-hilan pohjalta suunnitellaan kiihtyvyysanturiyksikkö ja äänenpaineanturiyksikkö sekä kehitetään äänenpaine-värähtelynopeusvektorihydrofoni. Kuva 8f on 3D pallomainen kuituvektorihydrofoni. Täysi polarisaatiota ylläpitävän kuituinterferenssijärjestelmän pohjalta on kehitetty 3D ortogonaalinen karainterferometrinen kuituvektorihydrofoni, jonka rakenne on kompakti ja äänikeskus osuu yhteen pisteeseen.

 

Matalataajuisten muuntimien, korkeataajuisten laajakaistaanturien, syvänmeren muuntimet ja vektorihydrofonit. Vaikka kerätyt tiedot eivät ole tyhjentäviä, ne ovat melko tyypillisiä ja edustavia. Pohjimmiltaan se kuvaa maani vedenalaisten akustisten muuntimien kehityksen rajaa. Verrattuna ikoniseen antureiden innovaatiotyöhön eri aikakausina maailmassa, merkittävä osa innovatiivisesta suunnittelutyöstä kotimaassani on useita vuosia tai jopa yli kymmenen vuotta myöhemmin kuin kansainvälinen huipputeknologian taso.

 

Suurin sysäys kotimaani hydroakustisten muuntimien kehittämiseen tulee hydroakustisen tekniikan sovellusvaatimuksista. Aikana, jolloin maani taloudellinen vahvuus sekä tieteellinen ja teknologinen vahvuus ovat suhteellisen heikkoja, tämä kehitystapa on tehokkain, mutta pitkän ajan kuluttua siitä tulee selviä historiallisia jälkiä, jotka johtavat epäjärjestelmällisyyteen, epätäydellisiin tuotesarjoihin ja teoreettisiin perusteisiin. Tilanne epäluotettava, epätäydellinen erikoistunut teknologia, kestämätön ammatillinen tuki ja epävakaa lahjakkuustiimi.

 

Syvänmeren anturiteknologian osalta joillakin suurilla merenkulkumailla on jo 1900-luvulla ollut monia kehittyneitä teknologioita ja tuotesarjoja. Joitakin siviilikäyttöisiä syvänmeren akustisia laitteita voidaan myös viedä kotimaahani. Kuitenkin syvänmeren luotaintekniikan kysyntä kotimaassani oli edelleen vahva vasta 1900-luvun lopulla. Deepwater-anturitekniikka oli tuolloin lähes tyhjässä tilassa. Viime vuosina maa on lisännyt investointejaan ja kiinnittänyt huomiota perusteorioiden ja perusydinlaitteiden tutkimukseen. Vedenalaisten akustisten muuntimien alalla on syntynyt uusia saavutuksia, teknisiä ominaisuuksia on parannettu vuosi vuodelta ja tekninen kehitys on ollut huomattavaa. Osa edellisessä artikkelissa luetelluista tutkimustuloksista on synkronoitu kansainvälisen rajatason kanssa, mutta kokonaissynkronointi ja kattava rinnakkaiskehitysvauhti ei ole vielä muodostumassa, varsinkin historiallisesti lyhyissä ja heikkoissa anturiteknologian suunnissa ja uusissa teknologisissa saavutuksissa. Se on vain harvinainen, ja tuotteen suorituskyky on edelleen erittäin heikko.