Novi tip podvodnog akustičnog pretvornika i nova tehnologija pretvornika

Akustični valovi jedini su prijenosnik koji ljudi imaju, a koji može prenositi informacije i energiju na velike udaljenosti u golemom oceanu. Na kopnu ljudi koriste elektromagnetske valove za razvoj radara. Slično tome, ljudi koriste akustične valove kao nositelje informacija za razvoj podvodnih ciljeva za otkrivanje i elektroničku opremu za pozicioniranje, identifikaciju i komunikaciju - sonar. Suočavajući se s golemim oceanom, sonar preuzima važnu misiju koja dopire do svih kutova golemog oceana, identificira razne stvari u njemu, što ljudima govori pravo lice podvodnog svijeta i pomaže ljudima u istraživanju misterija oceana, kako bi postali podvodna komunikacijska navigacija, vodeno ribarstvo, razvoj morskih resursa, istraživanje morske geologije i geomorfologije, razlog zašto zvučni valovi postaju najbolji podvodni prijenosnik informacija je taj što u vodi medija, zvučni valovi imaju najmanji koeficijent slabljenja u usporedbi s drugim fizičkim poljima kao što su elektromagnetski valovi i mogu se prenositi na velike udaljenosti. Ova prednost čini sonar korištenjem ultrazvučnih valova za promatranje pod vodom od samog početka. Cilj počinje i nastavlja se razvijati. Trenutačno je radni frekvencijski pojas sonara proširen na širok raspon. Aktivni sonar je proširen s desetaka Hz na desetke MHz, a niskofrekventni kraj pasivnog sonara proširen je na infrazvučno područje. U tako širokom frekvencijskom pojasu, prema propisima, važan uređaj koji stimulira i generira zvučne valove u obliku signala i osjetila te prima zvučne valove u vodi bez izobličenja naziva se sonarni pretvornik ili sonarni niz. Ovi uređaji su prednja oprema sonarnog sustava, kao i 'prozor' za interakciju sonarnog sustava s vodenim medijem i razmjenu informacija, te su 'realizatori' funkcija sonarnog sustava, za sonarne pretvornike ili sonarne nizove. To se slikovito naziva 'oči i uši' sonarnog sustava. Uz kontinuirano širenje područja primjene sonarne tehnologije i sve veću potražnju za vojnom konfrontacijom i borbom, nova načela, nove tehnologije i nova sonarna oprema pojavili su se jedan za drugim, jedan za drugim. Zahtjevi za razvojem nove sonarne tehnologije potaknuli su brzi razvoj tehnologije sonarskih sondi, kao i iste tehnološke pomake u području sonarskih sondi i razvoj novih materijala, novih mehanizama i novih struktura podvodni akustični pretvarači također su učinili sonar sustav 'osvježenjem'. Ovdje je kratki pregled statusa razvoja tehnologije pretvarača posljednjih godina na temelju informacija koje autor ima i ograničene razine razumijevanja. Uglavnom uključuje hidroakustični pretvarač od novog materijala, novu strukturu i novi mehanizam hidroakustičnog pretvarača, novu vrstu hidrofona, tehnologiju širokopojasnog pretvarača i tako dalje.

 

2 Podvodni akustični pretvarač od novog materijala

 

Transduktor je uređaj koji ostvaruje pretvorbu energije u sonarnom sustavu. U pretvaraču se nalazi poseban materijal koji ima sposobnost pretvaranja energije. Ovaj materijal se naziva funkcionalni materijal. Funkcionalni materijali koji se koriste za izradu pretvarača uglavnom uključuju piezoelektrične materijale (kao što su piezoelektrični kristali, piezoelektrična keramika, piezoelektrični polimeri itd.) i magnetostriktivne materijale (kao što su nikal, kobalt, legure nikal-željezo, feriti, legure željeza rijetke zemlje, itd.) itd.), koriste piezoelektrični učinak i magnetostrikcijski učinak za ostvarenje međusobne pretvorbe između energije električnog polja ili energije magnetskog polja i mehaničke energije. Proboj tehnologije pretvarača temeljno je određen tehnološkim probojem funkcionalnih materijala. Posljednjih godina različita tehnička dostignuća na području funkcionalnih materijala također su dovela do osvita razvoja tehnologije pretvarača. Liječnik je otkrio da lantanoidni materijali rijetkih zemalja imaju nevjerojatna magnetostrikcijska svojstva, ali nisu korišteni u praksi jer je curiejeva točka niža od sobne temperature. Kasnije je otkriveno da binarne, ternarne ili kvartarne legure sastavljene od elemenata rijetke zemlje i željeza također imaju golema magnetostrikcijska svojstva na sobnoj temperaturi. Najreprezentativnija legura rijetkih zemalja je Terfenol-D (sastav je Tb0.27Dy0.73Fe1). 95), postao je nova vrsta funkcionalnog materijala koji je privukao veliku pozornost od 1980-ih. Relaksacijski feroelektrični monokristalni olovo magnezij niobat-olovo titanat (PMN-PT) i olovo cink niobat-olovo titanat (naziva se PZN-PT) nove su vrste kompozitnih perovskitnih kristalnih materijala, a također se pojavljuju kao klasa novih funkcionalnih materijala s velikim izgledima za primjenu. Prije toga, nikal se uobičajeno koristio kao materijal za pretvarače. Godine 1917. francuski znanstvenik Langevin napravio je sonarni pretvarač s kvarcnim kristalom, postavljajući presedan za primjenu piezoelektričnih materijala u sonarima 1940-ih, BaTiO3 pzt keramika sa jakim piezoelektričnim svojstvima uspješno je razvijena i naširoko se koristila u sonarnim sustavima. PZT piezoelektrična keramika razvijena 1950-ih ima širok raspon radnih temperatura i izvrsna elektromehanička svojstva. Učinkovitost pretvorbe nadoknađuje nedostatnost Ba TiO3 keramike i nekada je postala materijal izbora za podvodne akustične pretvarače. Među njima, piezoelektrični keramički materijal visoke gustoće energije je PZT-8. Jednostavna usporedba gore navedenih materijala: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT mogu proizvesti naprezanje oko 5 puta veće od PZT-8 i 50 puta veće od nikla; piezoelektrične konstante PMN-PT i PZN-PT su d33. To je 6-8 puta više od materijala PZT-8. Upotreba ovih pzt materijala za razvoj novih podvodnih akustičnih pretvarača jedna je od trenutno vrućih tema.

 

Magnetostriktivni materijal od Cilindrični podvodni akustični pretvarač je rijedak zemaljski divovski magnetostriktivni materijal koji koristi magnetostrikcijski učinak za ostvarenje međusobne pretvorbe između energije magnetskog polja i mehaničke energije, a uglavnom se koristi za razvoj niskofrekventnih i visokosnažnih pretvarača podvodne akustične emisije. To je vrsta 'složene' strukture pretvarača - visokotemperaturni supervodljivi magnetostrikcijski hidroakustički pretvarač. Iz perspektive strukture pretvarača, njegova struktura je vrlo jednostavna. To je obični longitudinalni pretvarač s dva radijatora. Takozvani 'kompleks' ovdje se odnosi na njegovu bogatu fizičku konotaciju. Magnetostrikcijska snaga materijala od legura rijetkih zemalja na niskim temperaturama veća je od one na sobnoj temperaturi. Na primjer, maksimalno magnetostriktivno naprezanje Tb0.6Dy0.4 na temperaturi od 77K je 0.65%, dok je Terfenol-D na sobnoj temperaturi. Najveća magnetostrikcijska deformacija je 0,25%. Razvio Tb0.6Dy0.4 magnetostriktivni hidroakustički pretvornik s temperaturnim rasponom od 50-60K: materijal u obliku šipke od legure rijetke zemlje nalazi se u prostoriji za klimatizaciju, a rashladni toranj hladnjaka se ciklički hladi, a prostoriju za klimatizaciju osigurava zavojnica supravodljivog materijala. Prednaponsko magnetsko polje i pobudno magnetsko polje pobuđuju magnetostrikcijsku šipku da proizvedu vibracije rastezanja, koje se prenose na klipnu zračeću površinu kroz mehanički prijelazni dio, a klipna zračeća površina gura vodeni medij da generira zračenje tlačnog vala. U strukturi je dizajnirana vakuumska komora za izolaciju provođenja topline. Vanjska stijenka vakuumske komore je pokrov otporan na pritisak u obliku kupole, koji može izdržati tlak od 10 atmosfera. Glavni tehnički parametri su sljedeći: frekvencija rezonancije 430 Hz, maksimalna razina izvora zvuka 181,4 db, učinkovitost je oko 25%. Proces proizvodnje ove vrste pretvarača je kompliciran. Posljednjih godina ljudi su još uvijek voljni koristiti terfenol-D materijal koji djeluje na sobnoj temperaturi, napustiti neka magnetostriktivna opterećenja i zamijeniti ga novom strukturom kako bi se postigla izvrsna učinkovitost zračenja. Slijedi kratak uvod u napredak istraživanja nekoliko strukturnih magnetostrikcijskih materijala u podvodnim akustičnim pretvornicima. Uzdužni pretvarač ima jednostavnu strukturu. Magnetostrikcijska šipka kombinirana je s prednjom zračećom glavom i repnom masom kako bi se formirao sličan jednodimenzionalni sustav vibracija. Prednja glava koja zrači općenito je izrađena od laganih materijala, a masa repa općenito je izrađena od gustih materijala kako bi se postigla površina koja zrači. Izlaz veći pomak vibracija. Predstavljena su dva longitudinalna pretvornika razvijena s materijalima Terfenol-D. Jedan je opći longitudinalni pretvarač s rezonantnom frekvencijom od 1200 Hz, zvučnom snagom od 3 kW i težinom pretvarača od 60 kg; druga je šipka rijetke zemlje na oba kraja. Konstruiran kao dupli zračeći longitudinalni pretvornik u obliku roga, rezonantna frekvencija je 400 Hz, zvučna snaga 1,5 kW, a težina pretvornika do 100 kg. Pretvornik u obliku prstena: pravilan mnogokut okružen brojnim šipkama rijetkih zemalja, a niz kružnih lučnih površina pobuđuje prijelazni dio radi radijalnih vibracija za postizanje akustičnog zračenja velike snage. Razvijen je niz niskofrekventnih toroidalnih pretvarača visoke snage rijetkih zemalja uključujući pretvarače s rezonantnom frekvencijom od 200 Hz (unutarnji promjer 0,56 m, vanjski promjer 0,94 m, visina 0,37 m, razina izvora zvuka 193 dB, težina 410 kg) i pretvarač s rezonantnom frekvencijom od 30 Hz (promjer 2 m, visina 1,1 m, razina izvora zvuka 195 dB, težina 5 t). Fleksibilni pretvornik je vrsta pretvornika koji koristi uzdužnu vibraciju piezoelektrične keramičke ploče ili magnetostriktivne šipke za pobuđivanje površine zračenja školjke (ili bačvaste zrake) s efektom pojačanja amplitude za vibracije savijanja. Navedeno je nekoliko često korištenih sondi Tipovi savitljivih sondi među kojima I, II i III imaju iste karakteristike. Uzdužni vibrirajući štap pobuđuje rotacijski simetričnu zakrivljenu ljusku. Školjka može biti kontinuirana struktura ili struktura koja je izrezana u skupinu greda. Purcell je koristio materijal Terfenol-D za razvoj pretvornika savijanja i napetosti konkavnog bačvastog snopa (tip III), s frekvencijom rezonancije od 1300 Hz, razinom izvora zvuka od 188,7 dB i širinom pojasa od 600 Hz. Zbog upotrebe otvorenog magnetskog kruga s jednom šipkom, frekvencija rezonancije je Maksimalna izmjenična elektroakustička učinkovitost samo 7%, a težina pretvarača je 2,7 kg. Fleksenzioni pretvornici riblje usne imaju zajedničke karakteristike. Pretvornik se pobuđuje pomoću uzdužne vibrirajuće šipke da savije konveksnu ili konkavnu eliptičnu ljusku kako bi se postiglo zračenje velike snage. Fleksibilna sonda riblje usne prihvaća učinak pojačanja amplitude. Učinak ponderiranja s površinom povećava snagu zvučnog zračenja. Navedena nova vrsta niskofrekventnog podvodnog akustičnog pretvarača velike snage, uključujući rezonantnu frekvenciju od 210 Hz, 450 Hz, 800 Hz i 1200 Hz, rezultati istraživanja ovog novog tipa pretvarača trenutno se koriste u niskofrekventnim aktivnim sonarnim nizovima, akustičnim akustičnim sustavima kao što su ciljni izvori zvuka i simulatori buke.

 

Relaksacijski podvodni akustični pretvornik od feroelektričnog materijala

 

Relaksorni feroelektrični materijali su vrsta potencijalnih funkcionalnih materijala, koji se mogu podijeliti na elektrostrikcijske keramičke tipove i relaksorne feroelektrične monokristalne tipove. Proces proizvodnje relaksorskih feroelektričnih monokristala puno je kompliciraniji od procesa elektrostrikcijskih keramičkih materijala. Istraživači su koristili ove materijale za izradu mnogih vrsta sondi, kao što su sonde savijanja, uzdužne sonde i tako dalje. Tehnologija proizvodnje pretvornika od ove vrste materijala je složenija, te je potrebno dodati DC prednaponsko električno polje, primijeniti prednaprezanje i kontrolirati temperaturu procesa. Upotrebom PMN-PT-BT (olovno magnezijev niobat-olovni titanat-barijev titanat) elektrostrikcijske keramike razvijen je IV tip flekstenzijske sonde. Rezultati istraživanja pokazuju da razvijeni pretvarač nije maksimalno iskoristio potencijal materijala. Ovaj rad će još neko vrijeme biti jedna od vrućih točaka koje treba istražiti na polju podvodnih akustičnih pretvarača. Korištenje PMN-PT relaksorskog feroelektričnog monokristalnog materijala za proučavanje 64 kanala ultrazvučne sonde od 3,5 MHz, koja se koristi u medicinskom B-ultrazvuku i Doppler kolor ultrazvučnoj opremi za snimanje, sugerirajući da je relaksorni feroelektrični monokristalni materijal u visokofrekventnom slikovnom sonaru.

 

Piezoelektrični polimerni film od sferični podvodni akustični pretvornik može se izraditi u fleksibilnu membranu, a pretvornik se može oblikovati u bilo koji oblik prilikom izrade pretvornika, a akustična impedancija materijala je niska i lako je postići impedanciju s vodom i drugim tekućim medijima i biološkim tkivima. Podudaranje, koje se često koristi za izradu visokofrekventnih standardnih hidrofona, visokofrekventnih sondi, medicinskih ultrazvučnih sondi, konformnih nizova i raznolikih kompozitnih nizova sondi, piezoelektrični polimer koji se često koristi za izradu sondi uglavnom je poliviniliden fluorid (PVDF). Trenutno je privlačniji film od piezoelektričnog polimernog materijala EMFi (skraćenica od elektro mehaničkifil), vrsta fleksibilnog filma od polipropilenske pjene, čija je piezoelektrična konstanta oko 10 puta veća od PVDF-a, koji se može koristiti za izradu visokoosjetljivih pretvarača. Struktura EMFi tankoslojnog pretvornika ima promjer prijemne površine od 35 mm, a prijemna osjetljivost pretvornika veća je od -190 dB (referentna vrijednost je 1 V/μPa). Ova vrsta sonde također se može koristiti u zraku za primanje ili emitiranje zvučnih valova.

 

Uvođenje nove strukture podvodnog akustičnog pretvarača i raznih transdukcijskih mehanizama. Funkcionalni materijali su važni u pretvaraču, ali ih treba igrati odgovarajućom strukturom. Stoga se čini da je strukturni dizajn pretvornika posebno važan u razvoju tehnologije pretvornika. važno. U skladu s različitim područjima primjene i različitim tehničkim zahtjevima ili u skladu s karakteristikama različitih transdukcijskih mehanizama i funkcionalnih materijala, različite vrste pretvarača su se pojavile jedna za drugom, od kojih mnoge kombiniraju multidisciplinarne tehnologije kako bi zajednički probile nove temelje Tehničke poteškoće kako bi se zadovoljili neki posebni tehnički zahtjevi. Tipičan primjer je visokotemperaturni supravodljivi magnetostrikcijski hidroakustički pretvornik. U prethodnom sadržaju ovog članka i vrstama pretvarača koji će biti predstavljeni kasnije, mnoge su nove strukture i novi mehanizmi podvodnih akustičnih pretvarača. Kako se ne bi ponavljali, ovaj odjeljak navodi samo dva druga primjera dizajna novih struktura.

 

Transduktor tipa činele (cimbal) je vrsta sonde nove strukture slične flekstenzijskoj sondi. Svaka sonda tipa činele sastoji se od para PZT piezoelektričnih keramičkih diskova i jednog metalnog poklopca koji je spojen zajedno. PZT piezoelektrični keramički disk primjenjuje izmjenični napon za stvaranje radijalne vibracije kako bi pobudio metalnu kapicu za vibracije savijanja, a uzdignuta metalna kapica sonde proizvodi izmjeničnu vibraciju 'ekspanzije-skupljanja'. Radijacijski zvučni valovi. Kada isti izmjenični tlačni val djeluje na metalni poklopac, tlak će se prenijeti na PZT piezoelektrični keramički disk, a izmjenični napon izlazi na dva pola keramičkog diska, koji se koristi kao prijemni pretvornik. Rezonantna frekvencija pretvarača tipa činele u vodi je 16,1 kHz, a odziv napona emisije je 130 dB (referentna vrijednost je 1 μPa/V, na 1 m). Slika 5 također prikazuje fotografiju matrice od 9 elemenata sastavljene od ove vrste pretvarača. . U niskofrekventnom piezoelektričnom pretvorniku tipa zavojne opruge, piezoelektrična keramika se obrađuje u oblik zavojne opruge (kao što je prikazano na slici 6),piezoelektrični keramički pretvarač polarizira se u tangencijalnom smjeru, a zatim se konstruira pobudni elektrodni par. Neutralni dio bez elektroda u sredini je odvojen kako bi formirao par elektroda vanjskog prstena 1 i par elektroda unutarnjeg prstena 2 (pogledajte uvećani shematski dijagram malog fragmenta na slici 6). Na taj način, napon pobude V primjenjuje se na par elektroda, dio piezoelektrične keramike kojim upravljaju vanjski par elektroda prstena i par elektroda unutarnjeg prstena proizvest će suprotne vibracije (produženje ili skupljanje), a kretanje sustava opruga pri širenju i skupljanju će pokrenuti radnu površinu klipa da vibrira zvučnu energiju. Zbog niske krutosti ove strukture, ona ima nisku rezonantnu frekvenciju i može se koristiti kao niskofrekventni odašiljač. Kada se koristi kao prijemnik, također ima visoku osjetljivost u niskim frekvencijskim pojasima. Polazeći od piezoelektrične jednadžbe, dobiven je elektromehanički pretvorbeni odnos ovog tipa pretvornika, te su provedena istraživačka istraživanja.

 

Uvod u različite mehanizme pretvorbe energije u podvodnim akustičkim pretvornicima Iz perspektive pretvorbe energije, pretvornici se uglavnom mogu podijeliti na piezoelektrične pretvornike koji koriste piezoelektrični učinak za postizanje pretvorbe energije i magnetske koji koriste magnetostrikcijski učinak za postizanje pretvorbe energije. Uvlačive sonde, sonde uključene u prethodni sadržaj pripadaju ove dvije vrste.