Teknologinen innovaatio vedenalaisten akustisten muuntimien kehittämisessä(2)

     Teknologinen innovaatio vedenalaisten akustisten muuntimien kehittämisessä(2)

Rauta-galliumseos (Galfenol) on uudentyyppinen magnetostriktiivinen materiaali, joka on ilmaantunut viime vuosina. Sen magnetostriktiivinen jännitys on nikkelin ja Terfenol-D:n välillä 300 ppm:ssä (ppm on mikromuuttuja, edustaa ΔL/L=10-6) Terfenol-D:hen verrattuna sen etuna on suurempi suhteellinen läpäisevyys (>100), hyvä työstettävyys, korkea lämpötilastabiilisuus ja korkea vetolujuus. Koska rauta-galliumseosmateriaalilla on hyvä koneistuskyky ja korkea mekaaninen lujuus, sitä voidaan käyttää taipuisan jännitysanturin kotelon suunnittelussa ja käsittelyssä. Kuva 2b on tutkimusesimerkki koverasta piippuisesta taipuisasta jännitysanturista, jossa on rauta-galliumseoskotelo. The Vedenalainen akustinen muunnin on ohjattu Tärytin koostuu Φ20mm × 40mm rauta-galliumseoselementeistä ja neodyymi-rauta-boori kestomagneettilevyistä ja muodostaa suljetun magneettipiirin säteilevän kuoren kanssa. Kokeelliset tulokset osoittavat, että anturin emissiovirran vaste on 168,4 dB (resonanssitaajuus 1750 Hz), mikä on parempi kuin saman geometrisen kokoinen duralumiini. Koteloanturi (resonanssitaajuus 1900Hz) on parannettu lähes 5dB, mikä kuvastaa aktiivisen kotelon suunnitteluetuja.

 

Julkaistu 2000, tutkimustulokset magnetostriktiivinen-pietsosähköinen yhteinen heräte laajakaistainen pitkittäisanturi. Pitkittäistä anturia ohjaavat yhdessä Terfenol-D-yksikkö ja PZT-pino, joka toteuttaa 1,8 kHz:n ja 3,5 kHz:n kaksoisresonanssihuippukytkennän laajakaistaisen toiminnan. Ominaisuudet, kirjallisuus raportoi myös, että 4 × 4 suuritehoinen tasomatriisi koostuu tämän tyyppisestä muuntimesta, ryhmän äänilähdetaso on suurempi kuin 225 dB 1,5-6 kHz taajuusalueella.

 

Terfenol-D moniyksikkökäyttöinen pitkittäismuunnin, kirjoittaja on suunnitellut nerokkaasti käyttöyksikön, sen rakenteessa käytetään kestomagneettiholkkia bias-magneettikentän avulla, joka erottaa staattisen magneettikentän dynaamisesta magneettipiiristä, ja dynaaminen magneetti. Alhaisen läpäisevyyden omaavia kestomagneettielementtejä vältetään tiellä ja magneettikentän energiaa kuljettava vaikutus lisääntyy; on käyttöyksikön fyysinen kaavio. 4 tällaiset käyttöyksiköt on kytketty mekaanisesti sarjaan muodostaen matalataajuisen pitkittäiskorvauksen etukannen ja perämassan kanssa. Energialaite, keskusruuvi on esijännitetty; Kuva 3c on todellinen kuva muuntimesta pakkauksen jälkeen, anturin resonanssitaajuus on 1,6 kHz ja äänilähteen taso 177bB.

 

Magnetostriktiivisen anturin magneettipiirin suunnittelu on erittäin tärkeä. Butler otti esimerkkinä koveran tynnyrin taipuisanturianturin ja vertasi kuuden magneettipiirin toimintavaikutuksia elementtianalyysin avulla. Kuvan 4a-f magneettipiirirakenteet ovat vastaavasti .jatkuva harvinaisten maametallien sauva plus puhdasrautainen magneettista läpäisevä lisävarusteen päätykansi ja holkki, jatkuva harvinaisten maametallien tanko sekä puhdasta rautaa läpäisevä lisävarusteen päätykansi, jatkuva harvinaisten maametallien tanko ilman puhdasta rautaa läpäisevää lisävarustetta, harvinaisten maametallien sauvan ja kestomagneettikappaleen yhdistelmä, harvinaisen rautaisen sauvan ja kestomagneettikappaleen yhdistelmä sekä harvinaisen rautaisen magneettisen päädyn suojus puhdasrautainen magneettinen läpäisevä lisätarvikkeen päätykansi, harvinaisten maametallien sauva ja kestomagneettikappaleyhdistelmä ilman puhdasta rautaa läpäisevää magneettista lisävarustetta, teholliset sähkömekaaniset kytkentäkertoimet on laskettu vastaavasti 0,33, 0,30, 0,27, 0,23, 0,21 ja 0,20, mikä osoittaa, että yhteisvärähtelyn tehollinen sähkömekaniikka on muuttunut. jatkuva harvinaisten maametallien sauva harvinaisen maametallin sauvaksi yhdistettynä kestomagneettilevyyn. Puhtaan raudan magneettista läpäisevää lisävarustetta koskevilla päätykappaleilla ja hihoilla on tietty vaikutus harvinaisten maametallien täryttimen sähkömekaanisen kytkentäsuorituskyvyn parantamiseen, mutta alhaisen suhteellisen läpäisevyyden omaavien materiaalien, kuten Terfenol-D, parannus on pieni, ja tehollinen sähkömekaaninen kytkentäkerroin määräytyy arvolla 0,20-0,23-0,3 tai 0,2.

 

 

2.Uuden sukupolven pietsosähköiset materiaalit ja niiden muuntimet

1900-luvun alkupuolelle asti kaikki pietsosähköiset materiaalit olivat yksittäiskiteitä. Monikiteinen pietsosähköinen keraaminen bariumtitanaatti löydettiin ensimmäisen kerran 1950-luvulla ja sen jälkeen lyijysirkonaattititanaatti (PZT) 1960-luvulla. Näiden pietsosähköisten keramiikan suorituskyky ylittää huomattavasti varhaisten yksittäiskiteiden suorituskyvyn, ja PZT:stä on sittemmin tullut vedenalaisten akustisten muuntimien tärkein toiminnallinen materiaali.

1990-luvun puolivälissä löydettiin uusi pietsosähköinen yksikiteinen lyijy-magnesiumniobaatti-lyijy-titanaatti (PMN-PT) ja lyijy-sinkkiniobaatti-lyijy-titanaatti (PZN-PT). Näillä kahdella pietsosähköisellä yksikidemateriaalilla on erittäin korkea kyllästysjännitys (yli 1 %), alhainen yhteistehokkuus (0,9 korkeampi kuin tsoelektroniikka) ja . joka näyttää tehon lisäämisen ja taajuuskaistan laajentamisen mahdolliset edut vedenalaisen akustisen muuntimen suuntaan. Viime vuosina kolmikomponenttinen lyijy-indiumniobaatti-lyijy-magnesiumniobaatti-lyijy-titanaatti (PIN-PMN-PT) ja mangaanilla seostettu lyijy-indiumniobaatti-lyijy-magnesiumniobaatti-lyijy-titanaatti (Mn: PIN-PMN-PT) pietsosähköinen yksikidemateriaali, joka parantaa entisestään korkean kentän työolosuhteita.

Pietsosähköisten yksikidemateriaalien, kuten PMN-PT:n, käyttö vedenalaisessa akustiikkassa alkoi pitkittäismuuntimien suunnittelusta ja kehittämisestä. Meyer ja muut ovat tehneet joukon tutkimustyötä, mukaan lukien yksityiskohtaisen analyysin 33- ja 32-moodin pitkittäissuuntaisista PMN-PT-muuntimista sekä vertailevan tutkimuksen PZT-8:n kanssa. Kuva 5a on 33-moodin pitkittäisanturi, jota ohjaa 10 PZT-8-kiekon pino, kuva 5b on 33-moodin pitkittäisanturi, jota käyttää 3 PMN-PT-kiekon pino, ja kuva 5c on 4 PMN-PT. anturi. Tulokset osoittavat, että kun PMN-PT:tä ja PZT-8:aa käytetään pitkittäisten antureiden valmistukseen, joilla on sama taajuus ja päästölähdetaso ja muut parametrit, PMN-PT-kide Pinon pituus on vain noin 30 % PZT-8:sta, mikä osoittaa pietsosähköisten yksikidemateriaalien tekniset edut pienten muuntimien valmistuksessa; 32-tila voi saada yksikidemateriaalit leikatuksi parhaan suorituskyvyn suunnan mukaan ja samalla käyttää pitkien nauhojen yhdistelmää. Se voi välttää teknisiä ongelmia, kuten suurten yksittäisten kiekkojen kasvattamista, parantaa anturin luotettavuutta ja johdonmukaisuutta, ja sillä on ilmeisiä etuja keski- ja korkeataajuuksisille kevyille kaikuluotainsovelluksille.

Yksikide on kehittänyt a sylinterimäinen lähetysanturi, joka koostuu upotetuista renkaista. Jokainen rengas koostuu 12 kiilanmuotoisesta nauhasta, ja 9 rengasta on koottu tiiviisti aksiaalisuunnassa muodostamaan sylinterin. Geometrinen koko (Φ20,3 mm × 66 mm) Se on huomattavasti pienempi kuin saman taajuuden pietsosähköinen keraaminen muunnin, ja se toteuttaa yli 2,5 oktaavin laajakaistan toimintaominaisuudet. Toisessa asiakirjassa käytetään PMN-PT-yksikidettä koveran tynnyrin taipuisanturin kehittämiseen. Anturin käyttövärähtelijä koostuu 16 aksiaalisesti polarisoidun Φ28mm × Φ10mm × 4,8mm elementin pinosta ja titaaniseoksesta tehdystä tärinäkuoresta. Emissiojännitevaste on parempi kuin 5 dB verrattuna samanrakenteen PZT-4-materiaalista valmistettuun muuntimeen.

PMN-PT-yksikiteen trigonaali-tetragonaalinen faasimuutoslämpötila on suhteellisen alhainen, mikä rajoittaa sen käyttöaluetta jossain määrin, erityisesti sovelluksissa suuritehoisissa olosuhteissa. Kolminäärinen lyijy-indiumniobaatti-lyijy-magnesiumniobaatti-lyijy-titanaatti (PIN-PMN-PT) ja mangaanilla seostettu yksikiteinen kide (Mn: PIN-PMN-PT) tekevät relaksorin ferrosähköisen yksikiteen faasimuutoslämpötilasta ilmeisen. Nosta ja pienennä häviökerrointa samanaikaisesti: faasimuutoslämpötilaa nostetaan 9:stä 2:sta 5 °C:sta 5 °C:een. 0,26 - 0,15, ja häviökerroin on vain 1/2 tavallisesta PZT-4 pietsosähköisestä keramiikasta. On myös kirjallisuutta, jossa käytetään näitä kahta uutta kaavan yksikidekitettä, PMN-PT ja PZT-4 pitkittäisten muuntimien valmistamiseksi ja niiden suuritehoisten toimintaominaisuuksien vertailuun, mikä osoittaa, että uuden kaavan yksikidemateriaali sopii paremmin suuritehoisiin ja suuriin käyttösuhteisiin. PMN-PT-anturin äänilähdetaso on 5 dB korkeampi kuin PMN-PT-anturin resonanssitaajuudella. Verrattuna PZT-4 pietsosähköiseen keramiikkaan, äänilähteen taso ja tehokapasiteetti resonanssitaajuudella ovat periaatteessa samat, ja toimintakaistanleveys kasvaa 1 kertaa ja maksimi äänilähteen taso resonanssitaajuuden ulkopuolella kasvaa noin 6 dB.

 

PMN-PT-yksikidemateriaalin sovellustutkimus keskittyy enimmäkseen lääketieteelliseen korkeataajuiseen ultraäänikuvausjärjestelmään. Tässä on vain yksi tapaus Cymbal-hydroakustisen muuntimen sovellustutkimuksesta, jossa käytetään Φ12,7 mm × 1 mm PMN-PT-elementtiä 0,25 mm paksun titaanin ohjaamiseen. Seoksen taivutusvärähtelysuojus on kehittänyt Cymbal-tyyppisen pienikokoisen taivutusjännitysanturin, jolla on 6 dB korkeampi emissiojännitteen rakenne kuin P-muuntimella.

 

2. Vedenalaisen akustisen muuntimen rakenteen ja tekniikan tekninen innovaatio

⒈Tekninen innovaatio säteen ominaisuuksien parantamiseksi

Nykyaikaisissa kaikuluotaimissa käytetään yleensä erilaisia ​​perusryhmiä vaadittujen sädeominaisuuksien saavuttamiseksi. Kuitenkin, kun anturin asennusaukko on rajoitettu ja säteen ominaisuuksille on erityisiä vaatimuksia, on ryhdyttävä teknisiin toimenpiteisiin anturin säteen ominaisuuksien hallitsemiseksi. Tärkeimmät tekniset parannuskeinot ovat: välilevysovellus, modaalinen superpositiotekniikka, jossa käytetään dipoleja ja multipoleja, jne. Tässä osiossa valitaan joitain tyypillisiä tutkimusesimerkkejä keskittyen analysointiin ja yhteenvetoon modaalisten superpositiomenetelmien käytöstä anturin säteen ominaisuuksien parantamiseksi Tekniset saavutukset.

⑴ Ohjauslevyn käyttäminen anturin säteen ominaisuuksien parantamiseen

Varhaisessa luotainjärjestelmässä käytettiin yleensä riippumatonta kaikuanturia. Kun suuntaus ei täytä vaatimuksia, ohjauslevyn heijastuksella ohjataan välityssädettä, joka sisältää pääasiassa kulkemisen litteän ohjauslevyn, sylinterimäisen ohjauslevyn ja pallomaisen ohjauslevyn läpi. Levy- ja kartiolevy sylinterimäisten muuntimien, mäntämuuntimien, pallomuuntimien yms. suuntaavuuden muuttamiseksi, täyttävät tietyssä määrin yksisuuntaisen lähetyssäteen ohjauksen tarpeet, kuten kuvassa 6, kaksoiskartioiden käyttö Heijastava ohjauslevy säätelee magnetostriktiivisen toroidisen muuntimen suuntaavuutta.

 

On olemassa kirjallisuutta, jonka mukaan 3 kHz tyypin IV taipuisanturi on sijoitettu lähelle parabolisen heijastimen ohjauslevyn fokusta, jotta tyypin IV joustojännitemuunnin omalla suuntaamattomuudellaan voi saavuttaa yksisuuntaiset säteilyominaisuudet. Kokeessa saadaan yhden kulman avautumiskulma 83°. Säteelle etu- ja takavasteero on 21 dB.

⑵ Modaalinen yhdistelmäsuuntaanturi

Erilaisilla rakenteellisilla muuntimilla on erilaiset monitasoiset värähtelytilat. Resonanssimuuntimet toimivat yleensä perustaajuuden värähtelymoodin perusteella. Eri värähtelytilat vastaavat niiden tehokkaita herätemenetelmiä, joten viritysmenetelmien yhdistelmää voidaan käyttää. Toteuta useiden värähtelymuotojen superpositioajo, jotta saavutetaan lähettävän säteen ominaisuuksien muuttamisen tarkoitus. Tärkeimmät tilat, jotka voivat muuttaa anturin säteen ominaisuuksia yhdistelmän avulla, sisältävät monopolitilan, dipolitilan ja kvadrupolitilan jne. Näillä perusmuodoilla voidaan saavuttaa erilaisia ​​suuntauskuvioita painotetun yhdistelmän avulla. Tässä osiossa, yhdistettynä erityisten kirjallisuuden tuloksiin, tehdään lyhyt analyysi ja yhteenveto erilaisten rakenteellisten muuntimien prosessointitekniikasta ja herätemenetelmistä modaalisen superpositiota saavuttamiseksi.

Herätyksen monimuototyössä käytetään yleensä osion herätemenetelmää, kuten: pietsosähköinen keraaminen putki tai pallomainen kuori käyttää usein jaettua elektrodimenetelmää, katso kuva 7a, b; magnetostriktiivinen monikulmio ( rengas) -anturi, käyttää itsenäistä reunaherätystä.

 

Butler et ai. suunnitellut ja kehittänyt 'modaalisen muuntimen', joka käyttää edelleen osioherätyksen suunnitteluideaa, mutta murtaa itsenäisten komponenttien jaon rajoitukset ja käyttää 8 itsenäistä 1/4 pitkittäisvärähtelijää jakaakseen hännän massan, kukin anturi Säteilevä pinta on lieriömäinen kaaripinta, joka on lähellä 45°, ja ne sisältävät yhdessä itsenäisesti jaettuna ja syrjäyttävän muuntimen. Anturin geometrista kokoa eivät rajoita itsenäisten elementtien prosessiolosuhteet, ja samalla otetaan käyttöön esijännitetyn rakenteen pituussuunta. Täryttimellä on teknisiä etuja matalataajuisten ja suuritehoisten suuntalähettimien suunnittelussa. Kuva 8 näyttää modaalisen värähtelyn perusmuodot 'modaalimuuntimelle'. PZT-8 pietsosähköiseen keramiikkaan, PMN-PT-yksikidemateriaaliin ja Terfenol-D jättimäisiin magnetostriktiivisiin materiaaleihin perustuvat modaalimuuntimet on suunniteltu ja kehitetty vastaavasti. Se on saanut kardioidisuuntaisen lähetyssäteen, jonka suuntausindeksi on 6 dB ja 25 dB:n ero edestä taaksepäin.

 

Se on toisen tyyppinen matalataajuinen ja suuritehoinen suunnattu emissioanturi – vyöhykkeellä viritetty joustojännitysanturi. Suunnittelussa taivutus-jännitysanturin pietsosähköinen pino (tai magnetostriktiivinen värähtelijä) altistetaan vyöhykeviritykselle käyttämällä Monopoli- ja dipolimoodien yhdistelmää päällekkäin muodostaen kardioidisuuntaisen emissionsäteen. Kuva 9a on 900 Hz suuntaavuus tyypin IV taipuisa jännitysmuunnin ja kuvio 9b on 3 kHz suuntaavuus tyypin VII taipuisa jännitysmuunnin.

Kirjallisuudessa tutkitaan laajakaistaista monimuotoista lieriömäistä anturia, jossa on ohjauslevy (näkyy kuvassa 10). Pietsosähköisen keraamisen lieriömäisen putken elektrodit jaetaan tasaisesti kahteen ryhmään ja viritetään itsenäisesti monopolin (0-moodi) ja dipolin (1-moodin) saamiseksi ja toimivat sitten yhteistyössä ohjauslevyn kanssa yksipuolisen suunnatun emission toteuttamiseksi. Tutkimustyössä käytetään myös moodien välistä vaihesuhdetta itsenäisen tehovahvistimen ja virityspiirin suunnittelussa matalataajuisen '0+1' ja korkeataajuuden '0 + 1' kautta. -1' Modaalinen yhdistelmäohjaus toteuttaa laajakaistaiset toimintaominaisuudet. Muuntimessa on 4 PZT-4 pietsosähköistä pyöreää putkea, joiden mitat ovat Φ38,2mm × Φ31,8mm × 19mm korkeussuunnassa, ja koko pakkauksen jälkeen on Φ48mm × 79mm. Ohjauslevy on valmistettu kahdesta kumimaisesta, pyöreästä pinnasta. sen paksuus on 6 mm, ja emissiojännitevaste vaihtelee 6 dB 26-46 kHz:n taajuusalueella.

2. Tekniset innovaatiot taajuusominaisuuksien parantamiseksi

Vedenalaisen akustisen tekniikan sovellussuunnan monisuuntaisen laajentamisen myötä aktiivisten luotainjärjestelmien toimintataajuusaluetta on laajennettu jatkuvasti. Niistä korkearesoluutioisten kuvaluotainten toimintataajuus on nostettu 106 Hz:iin, ja ultra-pitkän matkan tunnistus- ja viestintäluotaimen toimintataajuus on vieläkin pienempi. alle 100 Hz; toisaalta kaikuluotaimen tiedonkäsittelyn kehittyminen edellyttää, että anturin toimintataajuuskaista on mahdollisimman laaja. Siksi matalataajuiset muuntimet ja laajakaistamuuntimet ovat viime vuosina herättäneet paljon huomiota vedenalaisessa akustisessa kentässä, ja tutkimustulokset ovat melko runsaita. On kuitenkin edelleen monia teoreettisia ja teknisiä ongelmia, joita ei ole ratkaistu hyvin. Tämä näkökohta on jatkossakin tutkimuksen hotspot ja tulevan kehityksen painopiste. Tässä osiossa valitaan matalataajuisten muuntimien ja laajakaistamuuntimien suuntainen tutkimustyö sekä analysoidaan ja tiivistetään niitä. Innovatiivisia ideoita ja uusia teknologisia saavutuksia.

⑴ Matalan taajuuden anturin innovatiivinen muotoilu

①Matalataajuinen taivutusvärähtelyanturi

Ensimmäinen matalataajuisten muuntimien kehityksen tekninen ongelma on geometrinen koko. Yleensä resonanssimuuntimien toimintataajuus on kääntäen verrannollinen geometriseen kokoon, eli mitä pienempi anturin taajuus, sitä suurempi geometrinen koko, kuten 500 Hz pitkittäismuunnos. Energialaitteen pituus on noin 3m. Taivutusvärähtely voi tehokkaasti pienentää matalataajuisten muuntimien geometrista kokoa. Niistä muuntimia, joiden toiminnalliset laitteet osallistuvat suoraan taivutusvärähtelyyn, ovat pääasiassa taivutuspalkkianturit, taivutuslevymuuntimet jne.

Kuvassa 11a on esitetty tyypillinen kolmipinoinen taivutuspalkkirakenne. Taivutuspalkin ylä- ja alaosaan liimataan pala pietsosähköisiä keraamisia nauhoja. Kun yksi pietsosähköisistä keraamisista nauhoista venyy ja toinen supistuu kiihtyessään, keskellä oleva metallipalkki tuottaa taivutusvärähtelyä. Tällainen energian muunnos Laite on altistettava toiselta puolelta vedelle ääniaaltojen säteilemiseksi, joten yleensä useita kaarevia säteitä yhdistetään ilmaonteloksi, kuten kuvassa 11b näkyy, jokainen säteilevä pinta värähtelee vaiheittain.

 

Samanlaista toimintaperiaatetta kutsutaan levyrakenteelliseksi kaarevaksi levymuuntimeksi, joka sisältää myös kolmikerroksisen ja kaksoislaminoidun rakenteen. Kuva 11c esittää kaarevaa kompaktilevymuunninta, joka koostuu parista kaksoislaminoiduista levyistä. (Taivutin). Delany-järjestelmäanalyysi tutki Benderin matalataajuisia, pienikokoisia ja suuritehoisia käyttöominaisuuksia.

Taivutusvärähtelymatalien taajuuksien muuntimien kehitys sisältää myös uuden rakenteellisesti jaetun toroidaalisen muuntimen (näkyy kuvassa 12). Jaettua toroidaalista anturia voidaan pitää erityisenä taivutussäteen muuntimena. Alkuperäistä rakennetta ehdotti Harris vuonna 1957. Komposiittirengaspalkki koostui sisemmästä pietsosähköisestä keraamisesta renkaasta ja ulkoisesta metallirenkaasta. Anturin mallintaminen ja analysointi perustui kuvan 12b mukaiseen 'äänityshaarukkamalliin' ja käyttöelementti säädettiin jaettuun rakenteeseen. Jaettu rengasanturi voidaan suunnitella isompana ja massaa voidaan säätää paksuusjakauman-jäykkyyden avulla toimintataajuuden ja säteilyominaisuuksien optimoimiseksi, kuten kuvassa 12c on esitetty.

 

②Taivutusjännitysanturi

Flextensional-anturin konsepti sai alkunsa Hayesin patentista vuonna 1936. Toulisin julkaisi IV-tyypin flextensional-anturin patentin vuonna 1966, flextensional-anturin tutkimus ja soveltaminen alkoivat olla aktiivisia, ja niitä on ollut tähän mennessä yli puolet. vuosisadalla Kehityshistorian on syntynyt erilaisia ​​joustojännitysantureiden rakenteellisia muotoja, joiden toimintaperiaatteet ja rakenneprosessit ovat täynnä innovatiivisia suunnitteluideoita. Emme voi esitellä niitä yksitellen niiden kehityksen kronologisessa järjestyksessä, vain flextensional-muuntimet. Yrityksen rakenne ja kannustinmenetelmät on jaettu kolmeen seuraavaan kategoriaan, jotka on analysoitu ja tiivistetty lyhyesti.

△ Taivutusjännitysanturi, jossa on sylinterimäinen rakenne. Tämän tyyppistä anturia ohjaa pitkittäinen teleskooppinen värähtelijä taivutusvärähtelykuoren kääntämiseksi, kuten kuvassa 13 on esitetty. Anturin värähtelevä kuori on translaatiorakenne, toisin sanoen erimuotoinen sylinterimäinen pinta, jota käyttää yksi tai useampi pituussuuntainen teleskooppivärähdys, b on tyypin IV transducerflextt-laite. c on 'tähden muotoinen' taivutusjännitysanturi, jota ohjaa ortogonaalinen pietsosähköinen pino, ja 'tähden muotoinen' taivutusjännitysanturi, jota ohjaa nelisivuinen magnetostriktiivista värähtelijä. Koska tämän tyyppisestä muuntimesta on helppo suunnitella ositettu viritysvärähtelijä, valitsee edellä kuvattu suuntajoustojännitemuunnin yleensä tämän tyyppisen rakenteen.

△ Taivutusjännitysanturi pitkällä pyörivällä rungolla. Tämän tyyppistä anturia ohjataan pitkittäisellä teleskooppivärähtelijällä pyörivästi symmetrisen taivutusvärähtelykuoren ohjaamiseksi, kuten kuvassa 14 on esitetty. Anturin värähtelevä kuori on pyörimissymmetrinen rakenne, joka sisältää sarjan kehälle jakautuneita piippusäteitä, joita yleensä ohjataan pitkittäisvärähtelyllä. kuviot 14a ja b ovat tyypin I taipuisjännitemuuntimen kuperia muotoja Rakenne ja kovera rakenne; kuten kuviossa 14c on esitetty, anturin pitkittäisviritysvärähtelijää pidennetään aksiaalisuunnassa toiminnallisen materiaalin tilavuuden lisäämiseksi, jotta se kehittyy tyypin II taipuisjännitemuuntimeksi; kuten kuvassa 14d on esitetty, taivutusvärähtelykuori on suunniteltu Kahden tai useamman osan muodossa, se on kehitetty tyypin III taivutusjännitysmuuntimeksi. Sekä tyypin II että tyypin III joustojännitysantureilla on vastaavat koverat rakenteet.

△ Taivutusjännitysanturi litteällä pyörivällä rungolla. Tämän tyyppistä anturia ohjataan säteittäisesti laajenevalla täryttimellä pyörivästi symmetrisen taipuvan värähtelykuoren ohjaamiseksi, kuten kuvassa 15 on esitetty. Anturin värähtelevä kuori on pyörimissymmetrinen rakenne, yleensä kupera tai kovera pallomainen kruunupari (tai pallomaisia kruunuja), jota ohjaa Drive1 tai kiekkovärähtelijä V-tyypin flextensional-muunnin, b on kiekkokäyttöinen V-tyyppinen flextensional-muunnin, c on tyypin VI joustojännitemuunnin, d ja e ovat pieniä flextensional-antureita, jotka on kehitetty rakenteen b perusteella. Laite on nimeltään Cymbal anturi.

△ Ontelorakenne matalataajuinen anturi. Helmholtz-resonaattori on onkalorakenteen vedenalaisen akustisen muuntimen perusmuoto, kuten kuvassa 16 näkyy. a, b ja c ovat Helmholtz-resonaattoreiden kolme perusrakennetta, joissa käytetään pietsosähköistä keraamista putkiviritystä, taivutuslevyviritystä ja pietsosähköistä keraamista palloviritystä. Helmholtz-resonaattoreiden toimintataajuuskaista on yleensä kapea, ja d:tä käytetään b perusteella. Kaarevan kiekon kaksoistyöpinnat virittävät eri tilavuuksilla olevia resonanssionteloita kaksoisresonanssitoiminnan toteuttamiseksi. Kirjallisuus loi täydellisemmän Helmholtz-resonaattorianalyysimallin ja analysoi 300 HZ Helmholtz-resonaattorin toimintaominaisuuksien ja rakenteellisten parametrien välistä suhdetta. Morozov et ai. suunniteltu vedenalainen piippuurkuäänilähde (näkyy kuvassa 17). Kuvion 17a rakenne toteuttaa taajuuden virityksen siirtämällä holkkia resonanssijärjestelmän impedanssin muuttamiseksi. Viritystaajuus vaihtelee välillä 225 - 325 Hz, ja hyötysuhde on jopa 80 % tai enemmän, mikä heijastaa korkean Q (laatutekijä) -järjestelmää, jolla on korkeat hyötysuhdeominaisuudet; Kuva 17b Suunnittelussa käytetään kaksoisputkirakennetta, jossa on sisäänrakennettu pallomainen äänilähde kaksitaajuisen resonanssin saavuttamiseksi. Matalataajuinen resonanssi on kaviteettiresonanssi, joka koostuu kaksiosaisesta holkista. Korkeataajuinen resonanssi on vain sisäresonanssiputkea vastaava resonanssi. Ulkoholkki ja sisäresonanssiputki voivat käyttää metallista alumiinia tai ei-metallisia hiilikuitumateriaaleja.

⑵ Laajakaistaanturin innovatiivinen muotoilu

Vedenalaisen akustisen tekniikan kehityksen historiassa on valmistettu erilaisia ​​vedenalaisia ​​akustisia muuntimia, joiden toimintaominaisuudet määräytyvät sen rakenteellisten ominaisuuksien mukaan. Sopeutuakseen laajakaistasovellusten suunnittelutarpeisiin lähes jokainen rakennemuunnin kohtaa laajakaistan suunnittelun ja prosessin parantamisen teknisiä ongelmia. Niiden joukossa pitkittäisanturi on yksi yleisimmistä muuntimien rakenteellisista muodoista vedenalainen laajakaistaanturi . Laajakaistan suunnittelun ja soveltamisen tutkimustulokset ovat varsin runsaita. Muiden rakennemuuntimien laajakaistasuunnittelun tekniset periaatteet ovat periaatteessa samanlaiset. Tämä osio keskittyy sarjaan uusia suunnitteluideoita, jotka perustuvat pitkittäismuuntimiin laajakaistaominaisuuksien saavuttamiseksi.

① Kaistayhdistelmä laajakaistainen pitkittäisanturi

Taajuuskaistayhdistelmän soveltaminen on alkanut jo luotaintekniikan kehityksen alkuvaiheessa. Varhaiset työt nähtiin 1940-luvulla. Suorakaiteen muotoisen säteilevän levyn ohjaamiseen käytettiin kolmea magnetostriktiivista pitkittäisanturia eri resonanssitaajuuksilla ja kuusi anturia tikapuussa. Yhteisellä käämikelalla (esitetty kuvassa 18) ohjatun anturin itsenäiset resonanssitaajuudet ovat vastaavasti 21,5, 23 ja 24,5 kHz, Q=12 ja Q=4 yhdistelmän jälkeen. Vaikka tämä taajuuskaistan yhdistelmämenetelmä ei ole varsinaisesti laajakaistainen anturi, sitä käytetään edelleen laajalti vedenalaisessa akustiikkassa, erityisesti akustisissa järjestelmissä, kuten melusimulaatiossa ja akustisissa houkuttimissa. Laiteyhdistelmä toteuttaa ultralaajakaistaiset päästöominaisuudet.

 

② Modaalikytkentäinen laajakaistainen pitkittäisanturi

Pituusanturin etukannen oletetaan yleensä yksiulotteisen mallin analyysissä värähtelevän männän tavoin, eli taivutusvärähtelyä ei esiinny. Kun anturin säteilevän pinnan sarvi on suhteellisen leveä, siihen on liityttävä taivutusvärähtely, mikä on järkevää. Käyttämällä etukannen taivutusvärähtelytilaa sen tehokkaaseen yhdistämiseen pitkittäisvärähtelytilaan voidaan suunnitella laajakaistainen pitkittäisanturi. Kirjallisuudessa on tutkittu neliömäisen säteilevän kansilevyn taivutusvärähtelyn ja pitkittäisvärähtelyn kytkentävaikutusta ja suunniteltu laajakaistainen muuntaja. Toisessa kirjallisuudessa täry- ja taivutuskiekko on upotettu säteilysuojukseen ja taivutuslevy on kytketty pitkittäisanturin värähtelymoodiin, ja laajakaistaanturi on suunniteltu ja kehitetty kuvan 19a mukaisesti. Pitkittäisen anturin pietsosähköinen pino voidaan suunnitella useisiin ryhmiin. Kuten kuvasta 19b näkyy, se on anturin perusrakenne, joka käyttää kaksoisherätystä modaalikytkentää laajakaistatoiminnan saavuttamiseksi. Butler perustuu kaksoisherätteisen pitkittäisanturin rakenteeseen. Perusteellinen kehitystyö, kuten magnetostriktiivisen ja pietsosähköisen hybridin kaksoisherätyksen käyttö laajakaistaisen pitkittäismuuntimen suunnitteluun ja etukannen 1/4 aallonpituutta vastaavan kerroksen liittämiseen ja kolmannen asteen resonanssimoodikytkennän suunnittelu ultralaajakaistaiseen pitkittäiskaistaan. 37kHz.

③ Laajakaistainen pitkittäisanturi yhdistettynä nesteonteloon

Tyypillinen pituussuuntaisen anturin ja nesteontelon välisen kytkimen rakenne on Janus-Helmholtz-anturi (näkyy kuvassa 20). Pitkittäinen anturi ottaa käyttöön kaksipäisen säteilevän rakenteen, nimeltään Janus, jossa on sylinterimäinen holkki, joka on suunniteltu muodostamaan Helmholtzin resonanssiontelo Januksen kaksoissäteilypäiden väliin; yleisellä nesteonteloresonanssimuuntimella on kapea toimintataajuuskaista. Januksen yhteissovelluksessa laajakaistainen siirto voidaan toteuttaa modaalikytkennän optimoidun suunnittelun avulla.

Gall suunnitteli kaksi Janus-Helmholtz-anturia, 300 Hz ja 160 Hz, ja tutki perusteellisesti yhteensopivan putken lisäämisen Helmholtzin resonanssionteloon vaikutusta anturin laajakaistan toimintaominaisuuksiin.

⒊Tekninen innovaatio äänenvoimakkuuden parantamiseksi

Suora tapa lisätä vedenalaisen akustisen anturin äänitehoa on lisätä anturin äänenvoimakkuutta, lisätä määrää ja muodostaa tiiviisti pakattu matriisi. Tehokkain tapa on käyttää korkean energiatiheyden omaavia funktionaalisia materiaaleja. Edellisissä luvuissa on selostettu korkean energiatiheyden funktionaalisten materiaalien käyttöä. Tämä osio keskittyy teknisiin innovaatioihin pienivolyymin suurtehoisten muuntimien rakenteessa ja prosessissa.

Kuvattaessa anturin pienen koon ja suuritehoisten ominaisuuksien etuja ja haittoja käytetään yleensä mittausarvoa ansiolukua, nimittäin

FOMv = Wa/V/f0/Q ⑴

Kaava ⑴ määrittelee tietyntyyppisen anturin äänenvoimakkuuden ansiotekijän, jossa: Wa on äänenvoimakkuus (W), V on anturin tilavuus (m3), f0 on resonanssitaajuus (Hz), Q on laatutekijä, Laitteen äänenvoimakkuuden ansiotekijä liittyy läheisesti rakenteeseen ja toiminnallisiin materiaaleihin. Delany suunnitteli ja kehitti kompaktin kaarevan levymuuntimen (Bender) ja analysoi ja tutki Benderin matalataajuisen, pienikokoisen ja suuritehoisen toiminnan toimintaominaisuuksia systemaattisesti.

 

 

On olemassa kirjallisuutta, joka suunnittelee koveran rakenteen tyypin I (kovera piipputyyppi) taivutus-jännitysanturi kompaktimmaksi yhdistelmäksi, joka mahdollistaa useiden anturiklustereiden rajoitetussa tilavuudessa maksimoimaan tilavuuden siirtymän ja saavuttamaan suuret tehoominaisuudet, kuten kuvassa 21 näkyy, kuuden tyypin I taipuisjännitemuuntimen huippu on ryhmitelty yhteen kuudenpisteen muodostamiseksi. Flextensional-muunnin, jolla on kompaktin rakenteen, matalan taajuuden, suuren tehon ja laajan taajuuskaistan ominaisuudet: perusresonanssitaajuus Lähetysjännitevaste 1,15 kHz:llä on 127 dB, ympärisuuntainen ja lähetysjännitevaste 800 Hz - 10 kHz on suurempi kuin 120 dB. FOMv-parametria ei ole annettu kirjallisuudessa, ja sen odotetaan olevan yhtä suuri tai suurempi kuin 'tähdenmuotoinen' taipuisa jännitysanturi.

Yllä oleva suunnittelu ja analyysi pienen koon ja suuren tehon tavoittelemiseksi lähtevät periaatteessa sähköisistä ja mekaanisista rajoista ja huomioivat vain toiminnallisten materiaalien energiatiheyden ja rakenteen tärinärajan. Kun anturi vaatii pitkän pulssin tai jatkuvan toiminnan, anturin lämpö ja lämmön poistuminen on suurin ongelma suuritehoisissa olosuhteissa. Tällä hetkellä lämpöraja on tärkein tekijä, joka rajoittaa anturin lopputehoa. Anturin lämpöraja on yksi tärkeimmistä tekniikan peruskysymyksistä. Aivan kuten anturin prosessin yksityiskohdat, julkisesti raportoituja tutkimuspapereita ei ole paljon. Matalataajuisten ja suurtehoisten muuntimien lämpöongelmien mallintamiseen ja analysointiin löytyy kirjallisuutta sekä Janus-Helmholtzin ja tyypin IV taipuisjännitemuuntimien lämmönjohtavuusongelmia. Kun anturi toimii matalassa vedessä, erityisesti matalataajuisen ja suuren tehonsiirrossa, äänitehon lisäämistä rajoittaa myös kavitaatiokertoimen akustinen raja. Tällä taustalla menetelmä yhden anturin tehon lisäämiseksi ei ole enää tehokas. Myös perusjoukkoa rajoitetaan, joten on vain yksi tapa muodostaa harva perusjoukko.

Siksi pientaajuisia ja suuritehoisia antureita suunniteltaessa on järkevästi valittava rakenteelliset muodot ja käyttötoiminnot, ottaen huomioon sellaiset tekijät kuin sähköinen raja, mekaaninen raja, lämpöraja ja akustinen raja, sekä tehdä kokonaisanalyysi ja kattava optimointi. Rajatehon ja anturin tilavuuden välillä on optimaalinen suhde. Tämän syvällinen tutkimus on yksi matalataajuisten ja suuritehoisten muuntimien teknisistä suunnasta tulevaisuudessa.

 

⒋Teknologinen innovaatio hydrostaattisen paineenkestävyyden lisäämiseksi

Tällä hetkellä akateeminen yhteisö on ehdottanut kehitysideoita, kuten läpinäkyviä valtameriä ja tietopohjaisia ​​valtameriä. Tavoitteena on, että vedenalainen tietotekniikka kattaa valtameren kaikki kulmat, mukaan lukien napa-alueet ja syvyyksissä olevat kaivannot. Siksi he esittävät vaatimuksia vedenalaisten akustisten muuntimien käytölle syvemmällä. Jopa haastaa kyvyn työskennellä syvissä meressä. Anturin hydrostaattinen paineenkestokyky liittyy läheisesti anturin rakenteeseen, erityisesti matalataajuisissa emissiomuuntimissa, joiden rakenteellinen jäykkyys on alhainen. Hydrostaattisen paineenkestorakenneteknologian ratkaisemisesta on tullut tärkeä aihe nykyisessä anturitekniikan alalla. Nykyiset tehokkaat menetelmät ja keinot työsyvyyden ratkaisemiseksi sisältävät pääasiassa nesteen täyttöä, yhteensopivaa putkensovitusta nesteen täyttöä, luonnollista rakennetukea, korkeapainekaasusylinterin kompensointia, turvatyynyn kompensointia jne., yli 1000 metrin työsyvyyksillä, ainoa tehokas tekninen menetelmä on nesteen täyttötekniikka, mukaan lukien Vapaa ylivuototyyppi käyttää suoraan merivettä täyttönesteenä tai täyttää jonkin verran öljynpainetasapainoa; 1000 metrin etäisyydellä paineenkestävää vaatimustenmukaisuusputkea voidaan käyttää nesteontelossa samanaikaisesti nesteen ontelon yhteensopivuuden parantamiseksi; 200 metrin säteellä rakenteen luonnollinen tuki kestää hydrostaattista painetta. Jotkut anturit, joilla on erittäin alhainen rakenteellinen jäykkyys (kuten liikkuvat kela-anturit), voivat käyttää korkeapaineisia ilmasylintereitä paineen kompensoimiseksi. Yleensä 100 metrin etäisyydellä turvatyynyn kompensointia voidaan käyttää. Yllä esitelty ontelorakenneanturi voidaan yleensä suunnitella nestetäytteiseksi työmuodoksi syvän veden työn saavuttamiseksi. Tässä osiossa annetaan useita sovellusesimerkkejä öljytäytteisen rakenteen suunnittelusta.

 

Kendigin vuonna 1965 julkaistu tutkimustyö, 4 kpl PZT-4 pietsosähköisen keraamisen levykäyttöisen pitkittäisanturin yhdistetty käyttö, täytetty silikoniöljyllä teräskuoren (mukaan lukien ääntä läpäisevän kumilevyn) ja anturin väliin muodostuvan tyhjiön suojaamiseksi Ontelo on yhdistetty takanestekammioon. Etuosan ääntä läpäisevä kumi ja takaosan kumiikkuna ovat kosketuksissa meriveden kanssa sisäisen ja ulkoisen paineen tasapainon saavuttamiseksi. Anturin toimintakaistanleveys on 30-50kHz ja työtä hydrostaattisen paineen alueella 0-6,9MPa on kokeellisesti tutkittu. Tyypillistä on, että tätä paineentasapainomenetelmää käytetään edelleen monissa syvänmeren luotainryhmissä. Kuva 22b esittää vapaan ylivuodon toroidisen muuntimen, jossa on öljytäytteinen rakenne. Pietsosähköinen keraaminen rengas on ripustettu polyuretaanikumiholkkiin, ja sisäpuoli on täytetty silikoniöljyllä painetasapainon saavuttamiseksi ulkomaailman kanssa. Polyuretaanikumiholkki on ihanteellinen ääntä läpäisevä materiaali, tällaisella anturilla on samanlaiset työominaisuudet kuin polyuretaanikumin suora infuusiopinnoite. PZT-4 pyöreälle putkelle Φ 150 mm × Φ 140 mm × 50 mm, polyuretaanikumin simulaatioanalyysi ja koetutkimus taajuusalueella 5 ～ 10 kHz. Holkin materiaali korvataan titaaniseoksella tai teräksellä. Tämän seurauksena titaaniseos vähentää emissiojännitevastetta noin 6 dB ja teräs vähentää emissiojännitevastetta noin 12 dB.

 

3. Johtopäätös

Tarkasteltaessa anturiteknologian sadan vuoden kehityshistoriaa ensimmäisen pietsosähköisen anturin syntymästä nykyaikaisen anturiteknologian voimakkaaseen kehitykseen, vedenalaisissa akustisissa muuntimissa on usein ilmaantunut teknisiä innovaatioita. Anturiteknologian innovaation ja kehittämisen päätavoitteita ovat: monimutkaisten prosessien yksinkertaistaminen, teknisten pullonkaulojen murtaminen, teknisten rajojen uudelleenkirjoittaminen, kokonaisvaltaisen teknisen suorituskyvyn parantaminen, uusien konseptien ja uusien mekanismien ehdottaminen, uusien teknisten suuntien luominen ja kehittäminen sekä anturitieteen teorian syventäminen ja täydentäminen System ja niin edelleen. Tämä artikkeli esittelee joitain tutkimustapauksia, jotka kuvastavat anturin innovatiivista suunnittelua ja hienoa ammattitaitoa uuden materiaalin soveltamisen, uuden anturin rakenteen ja tekniikan jne. näkökulmasta.