Napredak istraživanja i razvojne mogućnosti tehnologije podvodnih akustičnih pretvornika (2

 Napredak istraživanja dubokovodnih pretvarača

 

Dubokomorski svemir nove su vrhunske visine trenutnog pomorskog vojnog natjecanja. Jedan od pomorskih strateških ciljeva moje zemlje je kretanje prema dubokom plavom. Razvoj dubokomorske akustične opreme promiče kontinuirani napredak u istraživanju sondi za duboke vode. Među niskofrekventnim sondama predstavljenim u odjeljku 1.1 ovog članka, sonda sa zakrivljenim diskom i prstenasta sonda sa spojnom cijevnom zrakom sa strukturom preljevne šupljine također su primjeri dizajna sondi za duboke vode. Ovdje ih neću ponavljati, već ću predstaviti neke tipične. Novi rezultati istraživanja dubokovodnih pretvarača.

 

Slika 7a prikazuje dva glavna Helmholtza strukture podvodnih akustičnih pretvarača koji koriste krajnju pobudu i međupobudu. Provedeno je teoretsko istraživanje rezonantne frekvencije tekućinske šupljine u uvjetima elastične stijenke. Slika 7b prikazuje projektirani niskofrekventni širokopojasni pretvarač s više šupljina koji koristi pretvarač s preljevnom cijevi kao izvor pobude. Janus-Helmholtz sonda niske frekvencije i velike snage dizajnirana na slici 7c; također je proširenjem cilindra šupljine Janus-Helmholtzovog pretvornika prema prednjem dijelu zračenja klipa, nova tekućinska šupljina se formira na ušću Janusovog radijatora. Janus-Helmholtz sonda s više šupljina (slika 7d) omogućuje sondi širi radni frekvencijski pojas. Slika 7e prikazuje projektirani dubokovodni pretvornik s preljevnim prstenom za podvodnu akustičnu komunikaciju. Dizajn koristi učinak spajanja rezonancije šupljine tekućine i radijalne vibracije kružnog prstena za postizanje širokopojasnih radnih karakteristika. Slika 7f prikazuje projektiranu poluprostornu usmjerenost dubokopojasnog pretvornika s preljevnim prstenom. Metalna baza koristi se za poboljšanje vertikalne usmjerenosti sonde i suzbijanje stražnjeg zračenja. Dubokovodni širokopojasni uzdužni pretvarač dizajniran na slici 7g. Pretvornik koristi spoj uzdužnih vibracija i vibracija savijanja prednjeg poklopca za postizanje širokopojasnog rada. Pretvornik je inkapsuliran u kućište od titanijske legure otporno na pritisak, a kućište i pretvornik napunjeni su silikonskim uljem. , Kroz uređaj za ravnotežu tlaka za postizanje rada u dubokoj vodi.

 

Slika 7 Dubokovodna sonda

1.4 Napredak istraživanja vektorskog hidrofona

Uz duboku pažnju ljudi na vektorske informacije zvučnog polja i važnost istraživanje vektorskih hidrofona , tehnologija vektorskih hidrofona nastavlja se razvijati i posljednjih je godina postala jedno od međunarodnih žarišta istraživanja. U 21. stoljeću, istraživanje primjene vektorskih hidrofona u mojoj zemlji je najaktivnije. Prema statističkim rezultatima na kraju 2014. godine, gotovo polovica akademskih postignuća u području međunarodnih vektorskih hidrofona i njihove primjene dolazi iz moje zemlje. Ovdje je kratki uvod u nedavni napredak istraživanja vektorskih hidrofona.

 

Tipična struktura vektorskog hidrofona je ko-mod. Komodni vektorski hidrofon izrađen je inkapsulacijom inercijski osjetljivih elemenata (vibracijski akcelerometri, brzinomjeri itd.) u sferičnu ili cilindričnu ljusku. Njegov princip rada temelji se na karakteristikama krute kugle ili cilindra koji se osciliraju pod djelovanjem zvučnog polja, a općenito je dizajniran za nulti uzgon (slika 8a). Teorija i tehnologija u ovom su području relativno zrele. Danas se nove vrste piezoelektričnih monokristalnih materijala PMNT i PZNT koriste za smanjenje glasnoće hidrofona, povećanje osjetljivosti i smanjenje vlastitog šuma. Vektorski hidrofoni se uglavnom koriste u nizovima na obali, tegljenim nizovima i bočnim nizovima. Niskofrekventni vektorski hidrofoni također se koriste u sustavima za mjerenje buke morskog okoliša, podmornicama/buvama i drugim sustavima.

Slika 8 Vektorski hidrofon

Slika 8b je ko-vibrirajući stupni vektorski hidrofon koji se može fiksno ugraditi. Njegovo osnovno načelo nije se promijenilo. U strukturi, ovjesni okvir zamijenjen je pričvrsnom šipkom, a ovjesna opruga zamijenjena je gumenom oprugom. Scenarij primjene ove strukture može se proširiti na fiksnu ugradnju na nosač platforme.

 

S razvojem tehnologije mikro-elektromehaničke obrade (MEMS), MEMS tehnologija je primijenjena na dizajn i razvoj vektorskih hidrofona. MEMS tehnologija može integrirati mikroelektroničke komponente kao što su osjetljive jedinice, upravljački krugovi, tihi sklopovi za usklađivanje i moduli za pretprocesiranje uzorkovanja. U jednom se zvučni signal pretvara u električni signal. Tipičan način rada je korištenje senzora mikroakceleracije kao osjetljivog elementa (slika 8c), korištenje principa piezorezistivnog učinka monokristalnog silicija za dizajn osjetljivog čipa i razvoj trodimenzionalnog ko-vibracijskog cilindričnog kompozitnog MEMS vektorskog hidrofona. Drugi način rada temelji se na načelu bionike, oponašajući načelo bočnih mehaničkih osjetilnih stanica ribe za osjet kretanja vode, te je dizajnirao MEMS piezorezistivni vektorski hidrofon (Slika 8d).

 

Hidrofon s optičkim vlaknima jedna je od uspješnih primjena senzorske tehnologije optičkih vlakana u području podvodne akustike. Pokazuje tehničke karakteristike visoke osjetljivosti, niskog šuma, velikog dinamičkog raspona i zaštite od smetnji. Posljednjih godina također se široko koristi u vektorskim hidrofonima. Istraživači su dizajnirali i razvili vektorski hidrofon s optičkim vlaknima. Slika 8e je trodimenzionalni cilindrični vektorski hidrofon s optičkim vlaknima. Na temelju Braggove rešetke dizajnirani su senzori ubrzanja i senzori zvučnog tlaka te je razvijen hidrofon vektora zvučnog tlaka i brzine vibracija. Slika 8f je 3D vektorski hidrofon sa sfernim vlaknom. Na temelju interferentnog sustava vlakana s punim održavanjem polarizacije, razvijen je 3D ortogonalni ortogonalni interferometrijski vlaknasti vektorski hidrofon s trnom, koji ima kompaktnu strukturu i centar zvuka koincidira u jednoj točki.

 

Napredak istraživanja niskofrekventnih pretvarača, visokofrekventnih širokopojasnih pretvarača, dubokovodni pretvarači i vektorski hidrofoni. Iako prikupljeni podaci nisu iscrpni, prilično su tipični i reprezentativni. U osnovi prikazuje granični pregled razvoja podvodnih akustičnih pretvarača moje zemlje. U usporedbi s legendarnim radom na inovacijama na pretvornicima u različitim razdobljima u svijetu, značajan dio rada na inovativnom dizajnu u mojoj zemlji kasni nekoliko godina ili čak više od deset godina u odnosu na međunarodnu razinu vrhunske tehnologije.

 

Najveći poticaj za razvoj hidroakustičkih pretvarača u mojoj zemlji dolazi iz zahtjeva za primjenu u području hidroakustičke tehnologije. U razdoblju kada su ekonomska snaga i znanstvena i tehnološka snaga moje zemlje relativno slabi, ova metoda razvoja je najučinkovitija, ali nakon dugog vremenskog razdoblja bit će očigledni povijesni tragovi, što će rezultirati nesustavnim disciplinama, nepotpunim serijama proizvoda i teorijskim temeljima. Situacija nepouzdane, nesavršene specijalizirane tehnologije, neodržive profesionalne podrške i nestabilnog talentiranog tima.

 

Što se tiče tehnologije pretvarača za duboke vode, neke velike pomorske zemlje već su imale mnoge zrele tehnologije i serije proizvoda u 20. stoljeću. Neka civilna dubokomorska akustična oprema također se može izvesti u moju zemlju. Međutim, potražnja za sonarnom tehnologijom dubokog mora u mojoj zemlji još uvijek nije bila velika sve do kraja 20. stoljeća. Tehnologija dubokovodnih sondi u to je vrijeme bila gotovo u praznom stanju. Posljednjih godina, zemlja je povećala svoja ulaganja i posvetila pozornost istraživanju osnovnih teorija i osnovnih jezgrenih uređaja. Pojavljuju se nova dostignuća na području podvodnih akustičnih pretvarača, tehničke mogućnosti se poboljšavaju iz godine u godinu, a tehnološki napredak je nevjerojatan. Neki od rezultata istraživanja navedenih u prethodnom članku sinkronizirani su s međunarodnom graničnom razinom, ali ukupna sinkronizacija i sveobuhvatni paralelni razvojni zamah još su daleko od formiranja, posebice u povijesno kratkim i slabim smjerovima tehnologije pretvornika i novim tehnološkim dostignućima. Rijetko je, a učinak proizvoda je još uvijek vrlo slab.