Novi razvoj piezo keramike koja se koristi u podvodnim sonarnim pretvaračima

Sonda je važan dio sonara. Iz perspektive povijesti hidroakustike, svaki korak u razvoju podvodne akustike neodvojiv je od razvoja tehnologije pretvarača. Budući da hidroakustički pretvarači igraju ključnu ulogu u podvodnom akustičkom inženjerstvu, mnoge su razvijene zemlje uložile ogromna sredstva u istraživanje. Iz povijesti razvoja podvodne akustičke opreme, od početka Prvog svjetskog rata, pretvornik tipa Langevin koji se sastoji od kristali piezoelektrične keramike i metalne mase. korišteni su Nakon mnogih zamjena proizvoda, korišteni su pretvornici. Izvedba je znatno poboljšana. U posljednja dva ili tri desetljeća, zbog vojne potražnje, brzog razvoja znanosti i tehnologije, kontinuiranog razvoja i primjene novih materijala pretvornika i primjene analize konačnih piezo elemenata u dizajnu pretvornika, istraživanja pretvornika. Na temelju klasične teorije i analitičkih metoda nastali su mnogi novi koncepti i metode. Podvodni akustični pretvarač suočava se s novom rundom zamjene proizvoda. Ogromna magnetostriktivna razrijeđena sonda, elektrostrikcijska piezo keramička sonda visokih performansi, vektorski hidrofon, piezoelektrični kompozitni pretvarač, niskofrekventni PVDF hidrofon velike površine, optički hidrofon itd. Predstavlja najnovija dostignuća u istraživanju sondi. S tog aspekta, ovaj se članak raduje najnovijem razvoju podvodnih sonarnih pretvarača.

divovski magnetostrikcijski pretvarač

U 1970-ima, AE Clark je otkrio da legure rijetkih zemalja imaju super magnetostriktivna svojstva. Ta maksimalna naprezanja uzrokovana magnetostrikcijskim učincima su 6 do 20 puta veća od onih kod pretvornik s piezoelektričnom cijevi koji se koristi u podvodnim akustičnim pretvornicima, a gustoća energije je oko 10 do 20 puta, a brzina zvuka je samo 2/3 do 3/4 piezoelektrične keramike, a dana je i usporedba performansi između materijala rijetkih zemalja Terfenol2D i konvencionalnog piezoelektričnog materijala PZT-8 i nikla. Stoga, pod istim uvjetima volumena, Terfenol2D hidroakustički pretvarač ima rezonantnu frekvenciju koja je 2/3 do 3/4 niža od rezonantne frekvencije piezoelektričnog keramičkog hidroakustičkog pretvarača. Budući da pretvornik izrađen od divovskog magnetostriktivnog materijala rijetke zemlje Terfenol2D ima karakteristike velike prijenosne snage, malog volumena, male težine i visoke temperature okoline, dobiven je u razvoju podvodnog akustičnog pretvornika niske frekvencije-vrlo niske frekvencije velike snage. Adekvatna pozornost i primjena. U 1980-ima, razvijene zemlje su razvile razne pretvarače rijetkih zemalja i primijenile ih u vojnom polju. Švedska je uspješno razvila zakrivljene pretvarače rijetkih zemalja sa zvučnom snagom od 151 kW za čišćenje mina. Kina je započela istraživanja 1990-ih, ali je brzo napredovala. Uspješno su razvili pretvornike savijanja rijetkih zemalja, umetnute pretvornike rijetkih zemalja i uzdužne kompozitne šipke pretvornika rijetkih zemalja, itd. Glavne značajke materijala Terfenol2D su (1) krti materijali i teška strojna obrada. (2) Budući da materijali rijetkih zemalja nisu samo magnetski vodljivi materijali, već i vodljivi materijali, kada se vanjsko magnetsko polje promijeni, pretvarač rijetkih zemalja. Gubici vrtložne struje će se generirati unutra, a gubici će biti veliki na visokim frekvencijama. U usporedbi s piezoelektričnim keramičkim pretvornicima, ogromni magnetostrikcijski pretvornici trebaju riješiti probleme kao što su magnetski prednapon, prednaprezanje, gubitak vrtložne struje i kompenzacija duboke vode. Trenutačno postoje neka rješenja za te nedostatke. U svrhu rješavanja problema krhkog materijala i velikih gubitaka na vrtložne struje proučava se gigantski magnetostrikcijski materijal GMPC, u prahu Terfenol 2D, miješani vezivni materijali te prešani i oblikovani metalurgijom praha. Za dizajn ogromnih magnetostrikcijskih pretvornika, povoljno je rješenje u potpunosti iskoristiti njegovu veliku deformaciju i visoku gustoću energije kao izvor pobude pretvornika savijanja. Može se koristiti za razne pretvorbe niske frekvencije, malog volumena i velike snage. Točan odabir magnetskog prednaprezanja, prednaprezanja i tehnike primjene divovskih magnetostriktivnih materijala rijetkih zemalja imaju veliki utjecaj na performanse pretvarača. Općenito, magnetski prednapon je odabran na 1/3 vrijednosti magnetostrikcijske zasićenosti, a prednaprezanje je odabrano od 7 MPa do 10 MPa kako bi se dobila velika izlazna snaga.

Hidrofon s optičkim vlaknima

Tehnologija hidrofona s optičkim vlaknima započela je u američkom pomorskom laboratoriju kasnih 1970-ih. Hidrofon od optičkih vlakana ima prednosti visoke osjetljivosti, snažne anti-elektromagnetske smetnje, velikog dinamičkog raspona, male veličine i male težine Pzt4 piezoelektrična hemisfera . Stoga je tehnologija bila visoko cijenjena čim je rođena i smatrana je jednom od ključnih tehnologija nacionalne obrane. Nakon više od 20 godina razvoja, tehnologija optičkih hidrofona je u razvijenim zemljama jako napredovala te su uvedeni različiti hidrofoni sa optičkim vlaknima. Dovršili su hidrofonski sustav za praćenje zvuka podmornice od svih vlakana, niz za tegljeni konop, podmorski konformni niz i tako dalje. Konkretno, uspješan razvoj solid-state lasera otvorio je golem svijet aplikacija za optička vlakna. Tehnologija hidrofona s optičkim vlaknima također ima dobar početak. Učinkovitost prototipa jedinice bila je blizu ili dosegnula međunarodnu razinu, a provedeno je istraživanje tehnologije niza hidrofona s optičkim vlaknima. Prodor sonarskih istraživanja u lasersku tehnologiju nedvojbeno će otvoriti novu stranicu u sonarističkim istraživanjima. Sve vrste hidrofona s optičkim vlaknima dizajnirane su prema učinku zvučnog vala kako bi se izvršila fazna modulacija ili modulacija intenziteta svjetlosnog vlakna. Vlakno se dijeli na višemodno vlakno i jednomodno vlakno. Hidrofon s optičkim vlaknima uglavnom je izrađen od jednomodnog vlakna. Vrsta interferometra i vrsta modulacije intenziteta svjetlosti. Pod djelovanjem zvučnog tlaka, u jezgri optičkog vlakna stvara se naprezanje koje uzrokuje promjene u indeksu loma i duljini. Ove dvije promjene uzrokuju faznu modulaciju lasera koji se širi u optičkom vlaknu. Hidrofon s optičkim vlaknima tipa interferometra koristi vlakno na koje utječe zvučno polje kao osjetljivo vlakno, a drugo je odvojeno od zvučnog polja. Kao referentno vlakno koristi se vlakno s fiksnom faznom razlikom koje se postavlja na krakove interferometra i fotoelektrični pretvarač. Nakon sinteze na površini primljenog fotomultiplikatora nastaje interferencija i detektira se akustična informacija. Budući da je valna duljina svjetlosti vrlo mala, blago naprezanje signala uzrokovano zvučnim tlakom nije mala promjena u odnosu na valnu duljinu svjetlosti i stoga uzrokuje veliku promjenu u intenzitetu izlaznog svjetla, tako da je osjetljivost hidrofona s optičkim smetnjama posebno visoka. Tehnička izvedba koju postiže optički hidrofon vlaknastog interferometra je sljedeća: osjetljivost prijemnog napona: - 140dB (0dB = 1V/μPa) Fazna osjetljivost: 2,56 × 10 - 8 rad/μPa. Frekvencijski odziv: 16Hz ~ 10kHz (valovitost ≤ 3dB) usmjerenost: višesmjerni (valovitost ≤ 2,5 dB) Među svim hidrofonima intenziteta, hidrofon tipa rešetke novi je, dokazan i učinkovit podvodni akustični detektor. 

Izlaz se izražava kao izravna modulacija intenziteta upadnog zvučnog polja. Njegov glavni princip rada je izazvati relativni pomak dviju rešetki između konstantnog izvora svjetlosti i prijemnika svjetlosti pod djelovanjem zvučnog polja, a intenzitet primanja je funkcija relativnog pomaka dviju rešetki, tako da se zvučno polje može transformirati. Za modulaciju intenziteta. Sam rešetkasti hidrofon sastoji se uglavnom od dva aksijalno poravnata optička valovoda (ili vlakna) s malim razmakom i otvorima u procjepu koji kontroliraju propusnost daju potrebnu modulaciju intenziteta. Hidrofon pruža sve prednosti uređaja za izravnu modulaciju intenziteta i jeftin je. Metoda rešetke može postići relativno visoku osjetljivost, a uređaj je jednostavan za proizvodnju, bez ikakve napredne optičke tehnologije, ima dinamički raspon do 160 dB i ima sposobnost otkrivanja pomaka uzrokovanog zvukom manjim od 0,01 A. Osim toga, zbog fleksibilnog izbora gustoće rešetke, pomaka, optičke snage i hidrofonske strukture, postoji veća fleksibilnost u dizajnu osjetljivosti, dinamičnosti raspon, veličina i radni frekvencijski raspon. Za hidrofone s optičkim vlaknima, udarni šum uzrokovan fluktuacijama struje na fotodiodi glavni je izvor šuma i često se naziva teoretskom granicom šuma. Osim toga, poravnanje snopa, izolacija referentnog snopa i izolacija izvora vibracija imaju izravan utjecaj na performanse. Najveći nedostatak hidrofona s optičkim vlaknima je veliki temperaturni učinak.