Vedenalaisen akustisen anturiteknologian tutkimusprosessi ja kehitysmahdollisuudet

Akustisia aaltoja pidetään ainoana tiedon välittäjänä, joka voi kulkea pitkiä matkoja meressä. Merentutkimus, resurssien kehittäminen ja merenkulun sotilaalliset taistelut ovat kaikki erottamattomia vedenalaisesta akustisesta teknologiasta. Hydroakustisen tekniikan kehittäminen vaatii tukeakseen erilaisia hydroakustisia muuntimia, ja hydroakustisten muuntimien tehtävänä on siirtää ja vastaanottaa ääniaaltoja veden alla, joten hydroakustiset muuntimet tunnetaan hydroakustisten laitteiden 'silminä ja korvina. Hydroakustisten muuntimien kehittämiseen kuuluu pääasiassa uusien materiaalien soveltaminen, uusien teknisten prosessien kehittäminen ja uusien rakenteiden suunnittelu. Anturien suorituskyky Hydroakustisten antureiden suora kehitystyö Tämä artikkeli keskittyy vedenalaisten akustisten muuntimien uusiin tuloksiin, jotka liittyvät muun muassa matalataajuisiin antureisiin, syväantureisiin ja vektoreihin maan meriteknologian kehittämisstrategiaa ja tilannetta, keskustele lyhyesti nykyisen vedenalaisen akustisen anturitekniikan haasteista ja kehitysmahdollisuuksista.

 

The vedenalainen akustinen anturi on anturityyppi, joka toteuttaa äänen ja muun energian tai tiedon muuntamisen vesiväliaineessa; vedenalainen akustinen anturi on kaikuluotaimen etupää, ja se on myös luotainjärjestelmän ja vesiväliaineen välinen vuorovaikutus tiedon vaihtamiseksi. ikkuna'. Vedenalaisen akustisen anturitekniikan tutkimus- ja kehitysalaan liittyy useiden tieteenalojen integrointi, ja läheisesti toisiinsa liittyviä tieteenaloja ovat pääasiassa: fysiikka, materiaalitiede, matematiikka, mekaniikka, elektroniikka, kemia, mekaniikka jne., joten vedenalaisten akustisten muuntimien kehitys liittyy läheisesti eri tieteenalojen saavutuksiin ja muuhun kehitykseen. tieteenaloilla kotimaani hydroakustisten antureiden vuosikymmenten kehityshistoriasta päätellen suurin kehitysmotivaatio tulee sovellusvaatimuksista hydroakustisen tekniikan alalla, mutta 1900-luvun loppuun asti maani hydroakustisten antureiden kehityksestä puuttui kokonaisuus ja systemaattinen luonne.

 

1.1 Matalataajuisten muuntimien tutkimuksen edistyminen

Vastauksena erittäin pitkän kantaman vedenalaisen tiedonsiirron kiireellisiin tarpeisiin ja erittäin varkain sukellusveneiden havaitsemiseen, matalataajuisista lähetysantureista on tullut yksi huolestuneimmista vedenalaisten akustisten muuntimien alalla 2000-luvulta lähtien. Ulkomaisen ultra-pitkän kantaman tunnistus- ja viestintäluotaimen toimintataajuus on pienennetty noin 100 Hz:iin. Matalataajuisiin muuntimiin liittyy monia teoreettisia ja teknisiä ongelmia, joita ei ole tällä hetkellä ratkaistu hyvin, ja tämä näkökohta on jatkossakin tutkimuskohde ja huomion kohde tulevassa kehityksessä. Tässä osiossa valitaan taivutusvärähtely-matalataajuisten muuntimien ja taivutusjännitysantureiden tutkimustyöt ja tehdään yhteenveto uusista teknologisista saavutuksista.

 

1.1.1 Taivutusvärähtelyn matalataajuinen anturi

Ensimmäinen tekninen ongelma matalataajuisten vedenalaisten muuntimien kehittämisessä on geometrinen koko. Yleensä resonanssimuuntimien toimintataajuus on kääntäen verrannollinen geometriseen kokoon. Toisin sanoen mitä pienempi anturin taajuus, sitä suurempi geometrinen koko on. Tärinä voi tehokkaasti pienentää matalataajuisten muuntimien geometrista kokoa. Kiinassa viimeisten 20 vuoden aikana uudet matalataajuisten taivutusvärähtelyanturien mallit sisältävät pääasiassa kaarevia sädeantureita ja kaarevia kiekkoantureita.

 

(1) Taivutussäteen anturi. Suunnittele sylinterimäinen ulokesädelaajakaistalähetinmuunnin (kuva 1a). Rakennesuunnittelussa yhdistyvät matalan taivutusvärähtelyn modaalitaajuuden ja multimodaalisen värähtelykytkennän ominaisuudet taajuuskaistan laajentamiseksi. Chai Yong et ai. Siinä ehdotetaan putkipalkkikytkentärengasanturia (kuva 1b). Lisäämällä renkaanmuotoiseen anturiin kaareva palkki putki-palkki-kytkentärakenteen muodostamiseksi, tehollinen työtila paranee. Käytä monimuotokytkintä saavuttaaksesi matalataajuisia ja laajakaistaisia ​​käyttöominaisuuksia. Ylivuotorakenne on otettu käyttöön, ja sen kyky kestää hydrostaattista painetta on varmistettu soveltamalla 3 000 metrin syvänmeren vedenalaista standardia. Xu et ai. ehdotti kahta suunnittelusuunnitelmaa sylinterimäiset matalataajuiset muuntimet (kuvat 1c ja d), suorittivat sarjan simulaatioita ja antoivat uusien magnetostriktiivisten materiaalien Terfenol-D ja Galfenol ohjaamat emissiovastekäyrät. Se osoittaa anturin rakenteen mahdollisuudet erittäin matalataajuisiin sovelluksiin.

Kuva 1 Matalataajuisen muuntimen uusi malli kaarevalle säteelle (a), 0 on kiinteä palkki ja 1-5 ovat eripaksuisia sylinterimäisiä palkkeja

(3) Taipuneen levyn anturi. Kaareva levymuunnin sisältää kolmipinon, kaksipinon rakenteet ja niin edelleen. Kuva 2a esittää kaarevaa kompaktilevymuunninta, joka koostuu kahdesta kaksoislaminaatiosta. Ulkomainen tutkimustyö on suhteellisen kypsää. Siinä tehdään syvällistä tutkimusta tästä kaarevan levyanturin perusrakenteesta. Tästä perusrakenteesta lähtien, nestekammiota suunnittelemalla ja ajotapaa parantamalla on tuotettu joitain uusia malleja]. Kuva 2b on kaareva levymuunnin, jota ohjaa mosaiikkirengas. Kuvan 2c suunnittelussa käytetään erikokoisia kaarevia levymuuntimia matriisin muodostamiseksi ja erilaisia ​​ajomenetelmiä laajakaistatoiminnan aikaansaamiseksi. Kuvio 2d on kaareva levymuunnin, jossa on ylivuotoontelorakenne. Nesteontelon koko on säädetty asianmukaisesti suunnittelussa vastaamaan akustisia suorituskykyvaatimuksia. Se on galfenolilla toimiva kaareva kiekkoanturi, joka käyttää pitkittäisanturia vastaavaa rakennetta herättämään etuosan säteilevän taivutusvärähtelyn. 

Kuva 2 Matalataajuisen muuntimen uusi malli kaarevalla levyllä

1.1.2 Taivutusanturi

Flextensionaalisen muuntimen konsepti alkoi Hayesin patentista vuonna 1936. Perustyötapa on, että yksi tai useampi teleskooppivärähtelijä käyttää taivutusvärähtelykuorta tuottaen matalataajuista äänisäteilyä. Flextensional-muuntimien tutkimus ja soveltaminen on ollut maassani aktiivista 1900-luvun lopusta lähtien. Tutkijat ovat suunnitelleet flextensional-antureita, joilla on erilaisia ​​rakenteita. Rakenteen ja herätemenetelmän mukaan taipuisjännitemuuntimet on jaettu kolmeen luokkaan. Tätä luokitusmenetelmää käytetään tässä esittelyssä erikseen.

 

(2) Taivutusjännitysanturi, jossa on sylinterimäinen rakenne. Tämän tyyppistä anturia ohjaa pitkittäinen teleskooppivärähtelijä taivutusvärähtelykuoren kääntämiseksi. Anturin värähtelevä kuori on translaatiorakenne eli erimuotoinen sylinterimäinen kuori, jota käyttää yksi tai useampi pitkittäinen teleskooppivärähtelijä. Mukaan lukien IV-tyypin taipuisanturi ja sen muodonmuutosrakenne, VII-tyypin taipuisjännitemuunnin, nelisivuinen taipuisjännitemuunnin jne. Kuva 3a on tyypillinen IV-tyypin taipuisjännitemuuntimen rakenne. IV-tyyppinen flextensional anturi, jota ohjataan ferrosähköisellä relaksori-yksikide-PMNT-materiaalilla, on kehitetty. Harvinaisen maametallin jättiläismäisen magnetostriktiivisen materiaalin Terfenol-D käyttämä IV-tyyppinen flextensional anturi kehitettiin. Kuva 3b on VII-tyypin flextensional-muuntimen uusi malli, jota ohjaa harvinaisen maametallin jättimäinen magnetostriktiivinen materiaali Terfenol-D. Herätysmenetelmä on suunniteltu poikittaismitan leveimmälle alueelle, ja pari rinnakkaista värähtelijää on suunniteltu antamaan syvällinen katsaus tämän tyyppisiin antureisiin. Tutkimussarjaan kuuluu esijännityssuunnittelun analyysi, teoreettinen mallintaminen, modaalianalyysi, kokeellinen tutkimus jne. Kuva 3c on IV-tyypin flextensional-anturin paranneltu uusi malli, joka on samanlainen kuin tyypin I taipuisjännitemuuntimen suunnittelun parannus tyypin II joustojännitemuuntimeksi käyttämällä elliptistä kuorirakennetta pitkärellaksoittimella tai pidennettävällä vetoakselilla. ferrosähköinen yksikidemateriaali PMNT, jolla on paremmat laajakaistan toimintaominaisuudet kuin yleisellä IV-tyypin joustojännitemuuntimella. Kuva 3d on varhaisin uusi malli IV-tyypin flextensionaalisen muuntimen parantamiseksi Kiinassa - kala-huuli-tyyppinen fleksitensionaalimuunnin, joka käyttää vaihtelevan korkeuden elliptistä kuorta ja käyttää harvinaisen maametallin supermagnetostriktiivista materiaalia Terfenol-D -käyttöä. Tässä erikoismuotoisessa tärykuoressa on vipuvarsivaikutus ja erittäin painotettu kaksoisvahvistin. Tällä hetkellä Terfenol-D kala-huulen taipuisanturi on sarjoitettu ja suunniteltu kaksinkertaiseksi kuorirakenteeksi lähetystehon lisäämiseksi. Yhden anturin maksimiääniteho voi olla 10 000 wattia, joten se on kotimainen matalataajuinen suuritehoinen lähetysanturi Yksi perustyypeistä. Kuva 3e on ortogonaalinen heräte-nelisivuinen taipuisa jännitysmuunnin, joka käyttää kompaktia suunnittelun parannusta, joka voi lisätä toiminnallisia materiaaleja rajoitetulla tilavuudella ja parantaa emission äänilähteen tasoa. Kuva 3f on toinen paranneltu uusi rakenne IV-tyypin taipuisanturista, joka on samankaltainen kuin tyypin I joustojännitemuuntimen suunnitteluparannus tyypin III joustojännitemuuntimeen, joka käyttää kahta elliptistä kuorta sarjassa pitkän akselin suunnassa. Kokonaisuutena käytetään pidempää pietsosähköistä pinoa herättämään uudelleen värähtelytaajuutta, jolloin pitkittäisvärähtelytaajuutta pienennetään. taivutuskuoren tila, joka edistää modaalista kytkentää laajakaistan toimintaominaisuuksien saavuttamiseksi. Kuva 3g on paranneltu uusi muotoilu IV-tyypin fleksijännitysanturin viritysvärähtelijälle. Se on IV-tyyppinen taipuisa jännitysanturi, jota käyttää taittuva vibraattori. Tämä rakenne yhdistettynä matalan jäykkyyden kotelomateriaaliin voi tehokkaasti vähentää resonanssitaajuutta.

Kuva 3 Pilarirakenteella varustettu taivutusjännitysanturi

Se tunnetaan myös kurpitsatyyppisenä flextensional-muuntimena. Siinä tutkitaan kurpitsatyyppistä flextensional-anturia, jota ohjaavat PZT ja PZT+Terfenol-D. , Suoritetaan nivelvirityksen emissioominaisparametrien simulaatioanalyysi. Kuva 4c on koveraputken taipuisjännitemuunnin, joka on viritetty magnetostriktio-pietsosähköisellä yhdistelmällä. Suunnittelussa on käytetty kahta virityselementtiä, Terfenol-D ja PZT, muodostamaan komposiittipitkittäisvärähtelijä. Kuvassa 4d on esitetty koverasylinterinen taipuisjännitemuunnin. Se viritetään monipietsosähköisellä pinolla. Olettaen, että kuori pysyy ennallaan ja pietsosähköisen keraamisen materiaalin kokonaistilavuus on sama, eri lukumäärän (1-4) pietsosähköisten pinokäyttöjen analyysi Muuntimen suorituskykyä varten suunniteltiin ja kehitettiin kolminkertaisella pietsosähköisellä pinolla viritetty koveraputki taivutusjännitysanturi.

Kuva 4 Pitkätyyppinen pyörivä rungon taivutus-jännitysanturi

Litteä tyyppinen pyörivä rungon taivutus-jännitysanturi. Tämän tyyppistä anturia käyttää säteittäisesti laajeneva tärytin pyörivästi symmetrisen taipuvan tärinäkuoren ohjaamiseksi. Anturin värähtelevä kuori on pyörähdyssymmetrinen rakenne, yleensä pari kuperia tai koveria pallomaisia korkkeja (tai pallomaisia korkkeja) tai se koostuu kiekosta jne., jota käyttää säteittäisesti laajeneva rengas tai kiekkovärähtelijä, mukaan lukien V-muotoinen flex-tension-anturi, VI-muotoinen flex-tension-anturi, jne. V-tyyppinen flextensional-muunnin - Symbaali- ja levytyyppinen flextensional-anturi. Kuva 5a on pienikokoinen V:n muotoinen taipuisa jännitysanturi. Paria metallisia päätykappaleita ohjaa pietsosähköinen keraaminen kiekko, joka värisee säteittäisesti tuottaen taivutusvärähtelyä; Kuva 5b on kiekon muotoinen flextensional anturi, joka käyttää suunnittelussa PZT-. 4 Säteittäisesti polarisoitu pietsosähköinen keraaminen rengas käyttää kaarevaa kiekkoa. Levy on jaettu 16 yhtä suureen sektoriin säteittäistä rakoa pitkin sivuttaisvärähtelyn kytkeytymisen vähentämiseksi. Näiden kahden rakennemuodon joustojännitysmuuntimilla on matala resonanssitaajuus, pieni geometrinen koko ja korkea sähköakustinen tehokkuus.

Kuva 5 Litteä, pyörivä rungon taivutus-jännitysanturi

1.2 Korkeataajuisten laajakaistaanturien tutkimuksen edistyminen

Vedenalaisten akustisten laitteiden tärkeänä indikaattorina olevan havaintoetäisyyden lisäksi toinen kehityssuunta on saada päätarkoituksena mahdollisimman paljon kohdeinformaatiota. Esimerkiksi korkearesoluutioinen kuvaluotain, suuren tiedonsiirtonopeuden vedenalainen akustinen viestintä jne. Se vaatii suurtaajuista toimintatilaa, ja toimintataajuuskaista on mahdollisimman laaja. Siksi korkeataajuisesta laajakaistaisesta vedenalaisesta akustisesta muuntimesta on tullut järjestelmän avainkomponentti, kuten optiikka. Kuvausjärjestelmän linssi on sama.

 

Kuvio 6a on a korkeataajuinen laajakaistaanturi pietsosähköisellä keraamisella pylväällä ja vastaavalla kerroksella. Tutkitaan pietsosähköisen keraamisen etäisyyden suhdetta keraamiseen kokoon ja täyttömateriaalien vaikutusta kaistanleveyteen. Kuvassa 6b suunniteltu kaksinkertainen sovituskerros korkeataajuinen laajakaistaanturi käyttää pietsosähköisiä keraamisia pylväitä muodostamaan ryhmän ja lisää sitten metallikerroksen ja hartsikomposiittimateriaalin kaksoissovituskerroksisen rakenteen korkeataajuisen laajakaistaisen akustisen säteilyn suorituskyvyn saavuttamiseksi. Kuvassa 6c on esitetty suunniteltu 1-1-3 pietsosähköinen komposiitti korkeataajuinen laajakaistaanturi, joka koostuu 1-ulotteisista yhdistetyistä pietsosähköisistä pilareista ja 1-ulotteisista yhdistetyistä metallipilareista, jotka on järjestetty rinnakkain 3-ulotteiseen yhdistettyyn polymeerimatriisiin. Kolmivaiheinen pietsosähköinen komposiittimateriaali on muodostettu ja korkeataajuinen laajakaistainen lähetysanturi on kehitetty. Kuvassa 6d on esitetty suunniteltu 1-3 pietsosähköinen komposiitti korkeataajuinen laajakaistamuunnin, joka käyttää paksuusvärähtelytilan ja ensimmäisen asteen poikittaisvärähtelytilan kytkentävaikutusta laajakaistaisten toimintaominaisuuksien toteuttamiseen. Kuvassa 6e on esitetty suunniteltu pietsosähköinen komposiittirengas korkeataajuinen laajakaistaanturi. Pietsosähköinen komposiittirengas saadaan leikkaamalla radiaalisesti pietsosähköinen keraaminen rengas ja kaatamalla epoksihartsia. Sitten saadaan kaksi pietsosähköistä komposiittirengasta, joilla on eri seinämäpaksuudet. Komposiittirengas asetetaan päällekkäin radiaalisesti säteilevän kaksoisresonanssianturin muodostamiseksi.

 

Kuva 6 Korkeataajuinen laajakaistaanturi