पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर के विकास में तकनीकी नवाचार(1)

पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर के विकास में तकनीकी नवाचार

 

 

पृथ्वी के सतह क्षेत्र का 70.8% भाग महासागर है। विशाल महासागर पृथ्वी पर संसाधनों का सबसे बड़ा खजाना है, और अंतर्राष्ट्रीय सैन्य संघर्षों के लिए भी महासागर एक महत्वपूर्ण स्थान है। महासागर का अनुसंधान, विकास और उपयोग ध्वनि तरंगों से अविभाज्य है। ध्वनि तरंगें ही एकमात्र सूचना वाहक हैं जो समुद्र में लंबी दूरी तक यात्रा कर सकती हैं। समुद्री संसाधनों की खोज और विकास, पानी के भीतर संचार ट्रांसड्यूसर और जहाजों का नेविगेशन, पानी के भीतर लक्ष्य का पता लगाना और पहचानना, पर्यावरण निगरानी, ​​​​और प्राकृतिक आपदा का पूर्वानुमान आदि सभी हासिल करने के लिए पानी के नीचे ध्वनिक प्रौद्योगिकी पर निर्भर हैं। पानी के भीतर ध्वनिक प्रौद्योगिकी के विकास के लिए सभी प्रकार के पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर के समर्थन की आवश्यकता होती है। पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर का मिशन पानी के नीचे ध्वनि तरंगों को प्रसारित करना और प्राप्त करना है, इसलिए इसे 'पानी के नीचे ध्वनिक उपकरण की आंखें और कान' कहा जाता है, जिसे पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर कहा जा सकता है। 'एच' का जन्म हाइड्रोकॉस्टिक प्रौद्योगिकी के विकास की शुरुआत का प्रतीक है। हाइड्रोकॉस्टिक ट्रांसड्यूसर की तकनीकी प्रगति हाइड्रोकॉस्टिक तकनीक के तेजी से विकास के लिए एक महत्वपूर्ण शर्त और आधार है(1)

 

अंडरवाटर ध्वनिक ट्रांसड्यूसर एक साधारण पृथक विषय नहीं है, बल्कि एक बहु-विषयक तकनीकी क्षेत्र है। निकट से संबंधित विषयों में मुख्य रूप से शामिल हैं: भौतिकी, सामग्री विज्ञान, गणित, यांत्रिकी, इलेक्ट्रॉनिक्स, रसायन विज्ञान, यांत्रिक विज्ञान, आदि, इसलिए पानी के नीचे ध्वनिकी हालांकि ट्रांसड्यूसर के विकास का केवल सौ वर्षों से अधिक का इतिहास है, यह अब एक जीवंत विषय क्षेत्र बन गया है। हाइड्रोकॉस्टिक प्रौद्योगिकी के क्षेत्र की तत्काल आवश्यकता हाइड्रोकॉस्टिक ट्रांसड्यूसर के विकास के लिए प्रत्यक्ष प्रेरक शक्ति है, और कार्यात्मक सामग्रियों का विकास और तकनीकी प्रगति हाइड्रोकॉस्टिक ट्रांसड्यूसर के विकास के लिए सबसे महत्वपूर्ण सामग्री आधार हैं। हाइड्रोकॉस्टिक ट्रांसड्यूसर के विकास के इतिहास में, हाइड्रोकॉस्टिक के क्षेत्र में लगातार बढ़ती तकनीकी आवश्यकताओं को सबसे बड़ी सीमा तक पूरा करने के लिए, संबंधित कार्यात्मक सामग्रियों को लगातार अद्यतन किया जा रहा है। लोगों ने विभिन्न कार्यात्मक सामग्रियों की विशेषताओं के आसपास विशेष अनुप्रयोग अनुसंधान किया है और नई प्रौद्योगिकियों और नई संरचनाओं को डिजाइन किया है , जिन्होंने ट्रांसड्यूसर के व्यापक तकनीकी प्रदर्शन में सुधार और वृद्धि की है, जिससे ट्रांसड्यूसर पर अभिनव अनुसंधान परिणामों की एक अंतहीन धारा सक्षम हो गई है। लेखक लॉन्च ट्रांसड्यूसर के कुछ विशिष्ट शोध उदाहरणों का चयन करता है, कई अलग-अलग कोणों से इन शोध कार्यों के नवीन विचारों का विश्लेषण और सारांश करता है, और युवा विद्वानों को कुछ मार्गदर्शन और ज्ञान प्रदान करने की उम्मीद करता है, और सक्रिय रूप से क्लासिक शोध कार्यों के गहन पहलुओं का पता लगाता है।

 

1. कार्यात्मक सामग्रियों के आधार पर पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर का तकनीकी नवाचार

 

1915 में, फ्रांस के पॉल लैंग्विन और अन्य लोगों ने पानी के भीतर ध्वनिक प्रयोग करने के लिए एक कैपेसिटर ट्रांसमीटर और एक कार्बन कण रिसीवर का उपयोग किया। ये दो संचारण और प्राप्त करने वाले उपकरण आदिम पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर होने चाहिए; 1917 ~ 1918 लैंग्विन ज़िवान ने क्वार्ट्ज ट्रांसड्यूसर को डिजाइन और सुधार किया। इसका वाइब्रेटर दो मोटी स्टील प्लेटों के बीच स्थित कई पीजोइलेक्ट्रिक क्वार्ट्ज प्लेटों से बना है। इस संरचना को लैंगझिवान ट्रांसड्यूसर कहा जाता है। चूंकि प्राकृतिक क्वार्ट्ज लगातार बढ़ती मांग को पूरा नहीं कर सकता है, इसलिए यह पाया गया कि पानी में घुलनशील सिंथेटिक पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल रोशेल नमक में क्वार्ट्ज की तुलना में अधिक मजबूत पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव होता है, लेकिन इसकी स्थिरता की समस्या आवेदन के दायरे को सीमित करती है, और पीजोइलेक्ट्रिकिटी थोड़ी कम होती है। अमोनियम डाइहाइड्रोजन फॉस्फेट (एडीपी) क्रिस्टल, उनके अपेक्षाकृत स्थिर गुणों के कारण, द्वितीय विश्व युद्ध में व्यापक रूप से उपयोग किए गए थे। 1920 में, पानी के भीतर ध्वनिक ट्रांसड्यूसर में मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव प्रभाव लागू किया गया था; 1925 में, निकल मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव ट्रांसड्यूसर डिजाइन और लागू किए गए थे; 1931 में, पतली निकल शीट के गहन अध्ययन से मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव ट्रांसड्यूसर का तेजी से विकास हुआ। और धीरे-धीरे पीज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल ट्रांसड्यूसर को बदल दिया गया; 1944 में, यह पता चला कि बेरियम टाइटेनेट सिरेमिक में ध्रुवीकरण के बाद मजबूत पीजोइलेक्ट्रिकिटी होती है, और इसका नुकसान मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव सामग्रियों की तुलना में बहुत कम होता है। बाद में, बेरियम टाइटेनेट पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्रांसड्यूसर यह तेजी से विकसित हुआ है; 1954 में खोजे गए ध्रुवीकृत लेड जिरकोनेट टाइटेनेट सिरेमिक (पीजेडटी) में मजबूत पीजोइलेक्ट्रिकिटी है। आज तक, PZT पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक अभी भी पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर की मुख्य कार्यात्मक सामग्री है।

 

1970 के दशक में, संयुक्त राज्य अमेरिका में डॉ. क्लार्क एई ने दुर्लभ पृथ्वी विशाल मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव टर्नरी मिश्र धातु टेरफेनोल-डी विकसित किया। 1990 के दशक के बाद से, उच्च वोल्टेज विद्युत गुणों और उच्च ऊर्जा घनत्व -पीटी के साथ विश्राम फेरोइलेक्ट्रिक सिंगल क्रिस्टल सामग्री पीजेडएन-पीटी और पीएमएन की एक के बाद एक खोज की गई है, और इन तीन सामग्रियों के अनुप्रयोग अनुसंधान में नई सफलताएं मिली हैं। यह अनुभाग इन नए कार्यात्मक सामग्री ट्रांसड्यूसर के अनुसंधान परिणामों पर ध्यान केंद्रित करेगा।

 

⒈मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव सामग्रियों और उनके ट्रांसड्यूसर की एक नई पीढ़ी

मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव सामग्रियों की नई पीढ़ी में दुर्लभ पृथ्वी मिश्र धातु सामग्री और दुर्लभ धातु मिश्र धातु सामग्री शामिल हैं। दुर्लभ पृथ्वी मिश्र धातु सामग्री के विशाल मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव प्रभाव को पहली बार कम तापमान की स्थिति में खोजा गया था। 77K पर Tb0.6Dy0.4 सामग्री का उच्चतम मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव स्ट्रेन 0.65% है, और कमरे के तापमान पर टेरफेनोल-डी का उच्चतम मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव स्ट्रेन 0.25% है। ऐसे दस्तावेज़ हैं जो दिखाते हैं कि एक सुपरकंडक्टिंग कॉइल द्वारा संचालित मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव डुअल-पिस्टन अनुदैर्ध्य ट्रांसड्यूसर विकसित किया गया है। दुर्लभ-पृथ्वी (टेरबियम-डिस्प्रोसियम) मिश्र धातु मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव रॉड को एक एयर कंडीशनिंग कक्ष (तापमान 50-60K) में रखा जाता है, और कूलिंग टॉवर को रेफ्रिजरेटर के कूलिंग टॉवर द्वारा परिचालित और ठंडा किया जाता है। कमरे में, एक सुपरकंडक्टिंग सामग्री का तार एक डीसी पूर्वाग्रह चुंबकीय क्षेत्र और एक उत्तेजना चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करता है जो मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव रॉड को उत्तेजित करने के लिए स्ट्रेचिंग कंपन उत्पन्न करता है और इसे यांत्रिक संक्रमण टुकड़े के माध्यम से पिस्टन-प्रकार विकिरण सतह पर संचारित करता है। पिस्टन-प्रकार की विकिरण सतह विकिरण के लिए दबाव तरंगें उत्पन्न करने के लिए जल माध्यम को धक्का देती है। ऊष्मा चालन को अलग करने के लिए संरचना में एक निर्वात कक्ष डिज़ाइन किया गया है। निर्वात कक्ष की बाहरी दीवार एक गुंबद के आकार का दबाव प्रतिरोधी आवरण है, जो 10 वायुमंडल के दबाव का सामना कर सकती है। मुख्य तकनीकी पैरामीटर इस प्रकार हैं: अनुनाद आवृत्ति 430Hz है, अधिकतम ध्वनि स्रोत स्तर 181.4dB है, और दक्षता लगभग 25% है। यह अंडरवाटर हाइड्रोफोन ट्रांसड्यूसर कम तापमान वाली कामकाजी परिस्थितियों को प्राप्त करने के लिए विनिर्माण प्रक्रिया को जटिल बनाता है। हाल के वर्षों में, लोग टेरफेनोल-डी सामग्री का उपयोग करने के इच्छुक हैं जो एक नई संरचना के साथ उत्कृष्ट विकिरण प्रदर्शन प्राप्त करते हुए, विनिर्माण प्रक्रिया को सरल बनाने के लिए कमरे के तापमान पर काम करता है।

 

यह टेरफेनोल-डी संचालित अष्टकोणीय ट्रांसमीटर ट्रांसड्यूसर है जिसे बटलर ने 1980 में पूरा किया था। 16 दुर्लभ पृथ्वी की छड़ें दो परतों में व्यवस्थित होती हैं, और प्रत्येक परत में 8 दुर्लभ पृथ्वी की छड़ें एक पच्चर के आकार के संक्रमण ब्लॉक के माध्यम से एक अष्टकोण में जुड़ी होती हैं और एक बंद चुंबकीय सर्किट बनाती हैं, संक्रमण ब्लॉक सिलेंडर के एक हिस्से की विकिरण सतह (45 डिग्री केंद्रीय कोण के करीब) से जुड़ा होता है, और दुर्लभ पृथ्वी की छड़ को इसके माध्यम से दबाया जाता है संक्रमण ब्लॉकों के बीच उच्च शक्ति वाले तनाव तार। दुर्लभ पृथ्वी छड़ का आंतरिक दबाव लगभग 13.8 एमपीए है, और पानी में ट्रांसड्यूसर की गुंजयमान आवृत्ति 775 हर्ट्ज पर, डीसी पूर्वाग्रह चुंबकीय क्षेत्र की स्थिति के तहत गैर-रेखीय ड्राइविंग और निष्पक्ष क्षेत्र की स्थिति की तुलना की गई, और ध्वनि स्रोत स्तर डीसी पूर्वाग्रह चुंबकीय क्षेत्र की स्थिति के तहत 189.8 डीबी और गैर-पक्षपाती गैर-रेखीय ड्राइव स्थिति के तहत 196.2 डीबी क्रमशः महसूस किया गया।