Teknologinen innovaatio vedenalaisten akustisten muuntimien kehittämisessä(1)

Teknologinen innovaatio vedenalaisten akustisten muuntimien kehittämisessä

 

 

70,8 % maapallon pinta-alasta on valtameriä. Laaja valtameri on maan suurin luonnonvarojen aarrekammio, ja valtameri on myös tärkeä asema kansainvälisissä sotilaallisissa taisteluissa. Meren tutkimus, kehittäminen ja hyödyntäminen ovat erottamattomia ääniaalloista. Ääniaallot ovat ainoa tiedon välittäjä, joka voi kulkea pitkiä matkoja meressä. Meren luonnonvarojen etsintä ja kehittäminen, vedenalainen viestintä-anturi ja alusten navigointi, vedenalainen kohteiden havaitseminen ja tunnistaminen, ympäristön seuranta ja luonnonkatastrofien ennustaminen ja niin edelleen, kaikki luottavat vedenalaiseen akustiseen tekniikkaan saavuttaakseen. Vedenalaisen akustisen tekniikan kehitys edellyttää kaikenlaisten vedenalaisten akustisten muuntimien tukea. Vedenalaisten akustisten muuntimien tehtävänä on lähettää ja vastaanottaa ääniaaltoja veden alla, joten niitä kutsutaan 'vedenalaisten akustisten laitteiden silmät ja korvat', joiden voidaan sanoa olevan vedenalaisia ​​akustisia muuntimia. 'H':n syntymä merkitsee hydroakustisen teknologian kehityksen alkua. Hydroakustisten muuntimien tekninen kehitys on tärkeä edellytys ja perusta hydroakustisen tekniikan nopealle kehitykselle(1)

 

The vedenalainen akustinen anturi ei ole yksinkertainen erillinen aihe, vaan monialainen tekninen ala. Läheisiä aineita ovat pääosin: fysiikka, materiaalitiede, matematiikka, mekaniikka, elektroniikka, kemia, mekaniikka jne., joten vedenalainen akustiikka Vaikka muuntimella on vasta yli sadan vuoden kehityshistoria, siitä on nyt tullut elinvoimainen ainekenttä. Hydroakustisen tekniikan alan kiireellinen tarve on vesiakustisten muuntimien kehittämisen suorana voimana, ja toiminnallisten materiaalien kehitys ja teknologinen kehitys ovat tärkein materiaaliperusta hydroakustisten muuntimien kehitykselle. Hydroakustisten muuntimien kehityshistorian ajan vastaavia toiminnallisia materiaaleja päivitetään jatkuvasti, jotta hydroakustiikan alan jatkuvasti kasvaviin teknisiin vaatimuksiin voitaisiin vastata mahdollisimman hyvin. Erilaisten toiminnallisten materiaalien ominaisuuksien ympärillä on tehty erityistä sovellustutkimusta ja suunniteltu uusia teknologioita ja uusia rakenteita, jotka ovat parantaneet ja tehostaneet anturin kokonaisvaltaista teknistä suorituskykyä, mikä on mahdollistanut loputtoman virran innovatiivisia tutkimustuloksia muuntimesta. Kirjoittaja valitsee tyypillisiä tutkimusesimerkkejä laukaisuantureista, analysoi ja tiivistää näiden tutkimustöiden innovatiivisia ideoita useista eri näkökulmista ja toivoo voivansa tarjota nuorille tutkijoille tiettyä ohjausta ja valistusta sekä tutkia aktiivisesti klassisen tutkimustyön syvällisiä puolia.

 

1. Vedenalaisen akustisen muuntimen tekninen innovaatio, joka perustuu toiminnallisiin materiaaleihin

 

Vuonna 1915 ranskalainen Paul Langevin ja muut käyttivät kondensaattorilähetintä ja hiilihiukkasvastaanotinta suorittaakseen vedenalaisia ​​akustisia kokeita. Näiden kahden lähettävän ja vastaanottavan laitteen tulisi olla primitiivisiä vedenalaisia ​​akustisia muuntimia; 1917 ～ 1918 Langevin Zhiwan suunnitteli ja paransi kvartsianturin. Sen vibraattori koostuu useista pietsosähköisistä kvartsilevyistä, jotka on asetettu kahden paksun teräslevyn väliin. Tätä rakennetta kutsutaan Langzhiwan-muuntimeksi. Koska luonnonkvartsi ei pysty vastaamaan jatkuvasti kasvavaan kysyntään, havaittiin, että vesiliukoisella synteettisellä pietsosähköisellä kiteisellä Rochelle-suolalla on voimakkaampi pietsosähköinen vaikutus kuin kvartsilla, mutta sen stabiilisuusongelma rajoittaa käyttöaluetta ja pietsosähköisyys on hieman huonompi. Ammoniumdivetyfosfaatti (ADP) -kiteitä käytettiin laajalti toisessa maailmansodassa niiden suhteellisen stabiilien ominaisuuksien vuoksi. Vuonna 1920 magnetostriktiivista vaikutusta sovellettiin vedenalaisissa akustisissa muuntimissa; vuonna 1925 suunniteltiin ja käytettiin nikkelimagnetostriktiivisia muuntimia; vuonna 1931 ohuiden nikkelilevyjen perusteellinen tutkimus johti magnetostriktiivisten muuntimien nopeaan kehitykseen. Ja vähitellen korvataan pietsosähköiset kidemuuntimet; Vuonna 1944 havaittiin, että bariumtitanaattikeramiikalla on voimakas pietsosähköisyys polarisaation jälkeen, ja sen häviö on paljon pienempi kuin magnetostriktiivisten materiaalien. Myöhemmin bariumtitanaatti pietsosähköiset keraamiset muuntimet Se on kehittynyt nopeasti; vuonna 1954 löydetyllä polarisoidulla lyijyzirkonaattititanaattikeramiikalla (PZT) on vahvempi pietsosähköisyys. PZT-pietsosähköinen keramiikka on edelleen vedenalaisten akustisten muuntimien pääasiallisia toiminnallisia materiaaleja.

 

1970-luvulla tohtori Clark AE Yhdysvalloissa kehitti harvinaisen maametallin jättimäisen magnetostriktiivisen kolmimetalliseoksen Terfenol-D. 1990-luvulta lähtien relaksaatioferrosähköisiä yksikidemateriaaleja PZN-PT ja PMN, joilla on korkeajännitesähköiset ominaisuudet ja korkea energiatiheys -PT, on löydetty peräkkäin, ja näiden kolmen materiaalin sovellustutkimuksessa on tehty uusia läpimurtoja. Tämä osio keskittyy näiden uusien toiminnallisten materiaalien muuntimien tutkimustuloksiin.

 

⒈Uuden sukupolven magnetostriktiiviset materiaalit ja niiden muuntimet

Uuden sukupolven magnetostriktiiviset materiaalit sisältävät harvinaisten maametallien seosmateriaaleja ja harvinaisten metalliseosmateriaaleja. Harvinaisten maametallien metalliseosmateriaalien jättimäinen magnetostriktiivinen vaikutus löydettiin ensimmäisen kerran matalissa lämpötiloissa. Tb0.6Dy0.4-materiaalin korkein magnetostriktiivinen kanta 77K:ssa on 0,65 % ja Terfenol-D:n korkein magnetostriktiivinen kanta huoneenlämpötilassa on 0,25 %. On olemassa asiakirjoja, jotka osoittavat, että on kehitetty suprajohtavan kelan käyttämä magnetostriktiivinen kaksimäntäinen pitkittäisanturi. Harvinaisen maametallin (terbium-dysprosium) metalliseoksesta valmistettu magnetostriktiivinen sauva sijoitetaan ilmastointihuoneeseen (lämpötila 50-60 K), ja jäähdytystornia kierrätetään ja jäähdytetään jääkaapin jäähdytystornilla. Huoneessa suprajohtavan materiaalin kela tarjoaa DC-esijännitemagneettikentän ja viritysmagneettikentän magnetostriktiivisen sauvan virittämiseksi venytysvärähtelyn muodostamiseksi ja sen välittämiseksi mäntätyyppiselle säteilevälle pinnalle mekaanisen siirtymäkappaleen kautta. Mäntätyyppinen säteilevä pinta työntää vesiväliainetta muodostaen paineaaltoja säteilyä varten. Rakenteeseen on suunniteltu alipainekammio lämmönjohtavuuden eristämiseksi. Tyhjiökammion ulkoseinä on kupumainen paineenkestävä kansi, joka kestää 10 ilmakehän painetta. Tärkeimmät tekniset parametrit ovat seuraavat: resonanssitaajuus on 430 Hz, äänilähteen maksimitaso on 181,4 dB ja hyötysuhde noin 25 %. Tämä vedenalainen hydrofonianturi vaikeuttaa valmistusprosessia matalan lämpötilan työolosuhteiden saavuttamiseksi. Viime vuosina ihmiset ovat valmiita käyttämään huoneenlämmössä toimivaa Terfenol-D-materiaalia yksinkertaistamaan valmistusprosessia ja saavuttamaan samalla erinomaisen säteilytehokkuuden uudella rakenteella.

 

Se on Terfenol-D-ohjattu kahdeksankulmainen lähetinanturi, jonka Butler on valmistanut vuodelle 1980. 16 harvinaisten maametallien sauvaa on järjestetty kahteen kerrokseen, ja kummassakin 8 harvinaisten maametallien sauvaa on yhdistetty kahdeksankulmioon kiilamuotoisen siirtymälohkon kautta ja muodostavat suljetun Magneettipiirin, siirtymälohko on yhdistetty harvinaisen osan säteilykulman pintaan (5) maadoitustanko esijännitetään suurilujien jännityslankojen kautta siirtymälohkojen välillä. Harvinaisen maametallin sauvan sisäinen esijännitys on noin 13,8 MPa ja anturin resonanssitaajuus vedessä 775 Hz:llä verrattiin epälineaarista ajoa tasavirtabias-magneettikentän olosuhteissa ja puolueettoman kentän olosuhteita, ja äänilähteen taso 189,8 dB DC-esijännityksen magneettikentän olosuhteissa ja 196,8 dB:n ei-lineaarinen käyttö2.