Napredak istraživanja i razvojne mogućnosti tehnologije podvodnih akustičnih pretvarača

Akustični valovi se smatraju jedinim nositeljem informacija koji može preći velike udaljenosti u oceanu. Istraživanje mora, razvoj resursa i pomorske vojne borbe neodvojivi su od podvodne akustične tehnologije. Razvoj hidroakustičke tehnologije zahtijeva razne vrste hidroakustičkih sondi za pružanje podrške, a misija hidroakustičkih sondi je odašiljanje i primanje zvučnih valova pod vodom, pa su hidroakustičke sonde poznate kao 'oči i uši hidroakustičke opreme. Razvoj hidroakustičkih sondi uglavnom uključuje primjenu novih materijala, usvajanje novih procesa i dizajn novih struktura za postizanje poboljšanja i Unaprjeđenje sveobuhvatne tehničke izvedbe pretvornika je izravan razvoj hidroakustičkih pretvornika u posljednjih 20 godina, uključujući nove razvoje pretvornika visoke frekvencije, pretvornika duboke vode i vektorskih pretvornika o analizi i sažetku, u kombinaciji sa strategijom i situacijom razvoja pomorske tehnologije u mojoj zemlji, ukratko raspravljam o izazovima i mogućnostima razvoja s kojima se suočava trenutna tehnologija podvodnih akustičnih pretvarača.

 

The podvodni akustični pretvarač je vrsta senzora koji ostvaruje pretvorbu zvuka i drugih oblika energije ili informacija u vodenom mediju; podvodni akustični pretvarač je prednja oprema sonarnog sustava, a također je i interakcija između sonarnog sustava i vodenog medija za razmjenu informacija. prozor'. Područje istraživanja i razvoja tehnologije podvodnih akustičnih pretvarača uključuje integraciju više disciplina, a usko povezane discipline uglavnom uključuju: fiziku, znanost o materijalima, matematiku, mehaniku, elektroniku, kemiju, mehaniku itd., tako da je razvoj podvodnih akustičnih pretvarača usko povezan s postignućima drugih osnovnih disciplina, a istovremeno je ograničen razvojem raznih povezanih Sudeći po desetljećima razvoja hidroakustičkih pretvarača u mojoj zemlji, najveća motivacija za razvoj dolazi iz zahtjeva za primjenu u području hidroakustičke tehnologije, ali sve do kraja 20. stoljeća razvoju tehnologije hidroakustičkih pretvarača u mojoj zemlji nedostajala je sveobuhvatna i sustavna priroda.

 

1.1 Napredak istraživanja niskofrekventnih pretvarača

Kao odgovor na hitne potrebe podvodnog prijenosa informacija ultra-dugog dometa i razvoj ultra-stealth detekcije podmornica, niskofrekventni odašiljači pretvarača postali su jedno od najzabrinutijih žarišta u području podvodnih akustičnih pretvarača od 21. stoljeća. Radni frekvencijski pojas stranih sonara za otkrivanje i komunikaciju ultra-dugog dometa smanjen je na oko 100 Hz. Niskofrekventni pretvornici uključuju mnoge teorijske i tehničke probleme, koji trenutno nisu dobro riješeni, a ovaj će aspekt i dalje biti žarište istraživanja i fokus pozornosti u budućem razvoju. Ovaj odjeljak odabire istraživački rad niskofrekventnih pretvornika savijanja vibracija i pretvornika savijanja napetosti i sažima nova tehnološka dostignuća.

 

1.1.1 Niskofrekventni pretvornik vibracija savijanja

Prvi tehnički problem s kojim se suočava razvoj niskofrekventnih podvodnih pretvarača je geometrijska veličina. Općenito, radna frekvencija rezonantnih pretvarača obrnuto je proporcionalna geometrijskoj veličini. Odnosno, što je niža frekvencija pretvornika, veća će biti geometrijska veličina. Vibracija može učinkovito smanjiti geometrijsku veličinu niskofrekventnih pretvarača. Novi dizajni niskofrekventnih pretvornika savijanja vibracija u Kini u posljednjih 20 godina uglavnom uključuju pretvornike sa zakrivljenim snopom i pretvornike sa zakrivljenim diskom.

 

(1) Pretvornik snopa savijanja. Projektirajte pretvornik cilindričnog konzolnog snopa širokopojasnog odašiljača (Slika 1a). Dizajn strukture kombinira karakteristike niske modalne frekvencije vibracija savijanja i metodu višemodalnog spajanja vibracija kako bi se proširio frekvencijski pojas. Chai Yong i sur. Predlaže se prstenasti pretvornik spojne cijevi i snopa (slika 1b). Dodavanjem zakrivljenog snopa umetnutom prstenastom pretvorniku kako bi se formirala spojna struktura cijevnog snopa, učinkovit način rada se povećava. Koristite višemodnu spregu za postizanje niskofrekventnih i širokopojasnih radnih karakteristika. Usvojena je preljevna struktura, a njezina sposobnost da izdrži hidrostatski tlak provjerena je stvarnom primjenom standarda za podvodne dubine od 3 000 m. Xu i sur. predložio dvije sheme dizajna za cilindrične niskofrekventne pretvarače (Slika 1c i d), proveli su niz simulacija i dali krivulje odziva emisije vođene novim magnetostriktivnim materijalima Terfenol-D i Galfenol. On pokazuje potencijal strukture pretvarača za aplikacije ultra niskih frekvencija.

Slika 1. Novi dizajn niskofrekventnog pretvarača za zakrivljeni snop (a), 0 je fiksni snop, a 1-5 su cilindrični snop različitih debljina

(3) Sonda sa savijenim diskom. Pretvarač sa zakrivljenim diskom uključuje strukture s tri niza, dvostruki niz i tako dalje. Slika 2a prikazuje pretvarač s kompaktnim zakrivljenim diskom sastavljen od para dvostrukih slojeva. Inozemni istraživački rad je relativno zreo. Provedeno je dubinsko istraživanje ove osnovne strukture pretvornika sa zakrivljenim diskom. Polazeći od ove osnovne strukture, projektiranjem tekućinske komore i poboljšanjem načina vožnje, proizvedeni su neki novi dizajni]. Slika 2b je pretvarač sa zakrivljenim diskom kojeg pokreće mozaični prsten. Dizajn na slici 2c koristi pretvarače sa zakrivljenim diskom različitih veličina za formiranje matrice i koristi različite metode pokretanja za postizanje širokopojasnog rada. Slika 2d je sonda sa zakrivljenim diskom sa strukturom preljevne šupljine. Veličina šupljine tekućine je prikladno prilagođena u dizajnu kako bi zadovoljila zahtjeve akustične izvedbe. To je pretvornik sa zakrivljenim diskom pokretan galfenolom, koji koristi strukturu sličnu uzdužnom pretvorniku za pobuđivanje vibracija savijanja prednjeg zračenja 

Slika 2. Novi dizajn niskofrekventnog pretvarača sa zakrivljenim diskom

1.1.2 Fleksibilni pretvarač

Koncept flekstenzijske sonde započeo je Hayesovim patentom iz 1936. Osnovni način rada je da jedan ili više teleskopskih vibratora pokreću savijanje vibracijske ljuske za generiranje niskofrekventnog zvučnog zračenja. Istraživanje i primjena flekstenzijskih pretvarača u mojoj zemlji aktivno je od kraja 20. stoljeća. Istraživači su dizajnirali flekstenzijske pretvarače s različitim strukturama. Prema strukturi i načinu pobude, pretvornici savitljivosti dijele se u tri kategorije. Ova metoda klasifikacije ovdje se koristi za zasebno predstavljanje.

 

(2) Pretvarač savijanja i napetosti cilindrične strukture. Ovu vrstu sonde pokreće uzdužni teleskopski vibrator za prevođenje savijajuće vibracijske ljuske. Titrajni omotač pretvornika je translacijska struktura, odnosno cilindrični omotač različitih oblika, koji pokreće jedan ili više uzdužnih teleskopskih vibratora. Uključujući IV tip savitljive sonde i njegovu deformacijsku strukturu, VII savitljivu sondu, četverokutni savitljivi pretvornik, itd. Slika 3a je tipična struktura IV savitljive sonde. Razvijen je IV tip flekstenzijskog pretvornika kojeg pokreće relaksorski feroelektrični monokristalni PMNT materijal. Razvijen je IV tip savitljivog ekstenzionog pretvornika kojeg pokreće divovski magnetostriktivni materijal rijetke zemlje Terfenol-D. Slika 3b je novi dizajn savitljivog ekstenzionog pretvornika tipa VII, kojeg pokreće divovski magnetostriktivni materijal rijetke zemlje Terfenol-D. Metoda pobude dizajnirana je na najširem dijelu poprečne dimenzije, a par paralelnih vibratora dizajniran je da pruži dubinski uvid u ovu vrstu sonde. Niz istraživanja uključuje analizu dizajna prednaprezanja, teoretsko modeliranje, modalnu analizu, eksperimentalno istraživanje, itd. Slika 3c je poboljšani novi dizajn IV tipa ekstenzijske pretvornika, koji je sličan poboljšanju dizajna tipa I fleksionog pretvornika savitljivom pretvorniku tipa II, koristeći eliptičnu strukturu ljuske s izduženom dugom osi, pretvornik Pokreće ga relaksor feroelektrični monokristalni materijal PMNT, koji ima bolja širokopojasna radna svojstva od općeg tipa IV tipa flekstenzijske sonde. Slika 3d je najraniji novi dizajn za poboljšanje IV tipa flekstenzijske sonde u Kini - fleksiona sonda tipa riblje usne, koja koristi eliptičnu ljusku promjenjive visine i koristi pogon Terfenol-D od super magnetostriktivnog materijala rijetke zemlje, ova vibrirajuća ljuska posebnog oblika ima učinak poluge i visoko ponderirani učinak dvostrukog pojačanja. Trenutačno je ekstenzijska sonda Terfenol-D riblje usne serijalizirana i dizajnirana u strukturu s dvostrukom ljuskom kako bi se dodatno povećala snaga prijenosa. Maksimalna zvučna snaga jednog pretvornika može doseći 10 000 vata, što ga čini kućnim niskofrekventnim odašiljačem visoke snage, jednim od osnovnih tipova. Slika 3e je ortogonalni pobudni četverokutni savitljivi pretvornik, koji usvaja poboljšanje kompaktnog dizajna, koji može dodati više funkcionalnih materijala u ograničenom volumenu i poboljšati razinu izvora zvuka emisije. Slika 3f je još jedan poboljšani novi dizajn savitljivog pretvornika tipa IV, slično poboljšanju dizajna savitljivog pretvornika tipa I na savitljivi pretvornik tipa III, koji koristi dvije eliptične ljuske u nizu duž smjera duge osi. U cjelini, duži piezoelektrični skup koristi se za pobuđivanje, tako da je rezonantna frekvencija uzdužnog vibratora smanjena i blizu osnovne frekvencijski način savijajuće ljuske, što je pogodno za modalno spajanje za postizanje širokopojasnih radnih karakteristika. Slika 3g je poboljšani novi dizajn za ekscitacijski vibrator IV tipa flekstenzijske sonde. To je IV tip savitljivog ekstenzionog pretvarača kojeg pokreće preklopni vibrator. Ova struktura u kombinaciji s materijalom kućišta male krutosti može učinkovito smanjiti frekvenciju rezonancije.

Slika 3 Pretvarač savijanja i napetosti sa stupnom strukturom

Također je poznat kao sonda flekstenzijskog tipa tikve. Proučava se savitljivi ekstenzioni pretvornik tikvinog tipa kojeg pokreću PZT i PZT+terfenol-D. Provedena je simulacijska analiza emisijskih karakterističnih parametara zajedničke pobude. Slika 4c je pretvornik savitljive napetosti s konkavnom cijevi pobuđen kombinacijom magnetostrikcije i piezoelektrika. U dizajnu, dva pobudna elementa, Terfenol-D i PZT, korištena su za formiranje kompozitnog uzdužnog vibratora. Slika 4d prikazuje konkavno-cilindarski pretvornik savitljivosti. pobuđuje ga višepiezoelektrični skup. Pod pretpostavkom da ljuska ostaje nepromijenjena i da je ukupni volumen piezoelektričnog keramičkog materijala isti, analiza različitog broja (1-4) pogona piezoelektričnog niza Za utjecaj na performanse pretvornika, konkavno-cijevni pretvornik savijanja napetosti pobuđen trostrukim piezoelektričnim nizom je dizajniran i razvijen.

Slika 4 Pretvarač savijanja i napetosti dugog tipa rotirajućeg tijela

Pretvarač savijanja i napetosti ravnog rotirajućeg tijela. Ovu vrstu sonde pokreće radijalno ekspandirajući vibrator koji pokreće rotacijski simetričnu savijajuću vibracijsku ljusku. Vibrirajuća ljuska sonde je rotacijski simetrična struktura, općenito par konveksnih ili konkavnih sferičnih kapica (ili sferičnih kapica) ili Sastoji se od diska itd., pokretanog prstenastim ili diskastim vibratorom koji se radijalno širi, uključujući V-oblik pretvornika savitljive napetosti, VI-oblik pretvornika savitljive napetosti, disk-oblik savitljive napetosti sonda, itd., predstavljena ovdje Mala veličina V-tipa flekstenzijske sonde-Činela i diskasta fleksiona sonda . Slika 5a je mala flekstenzijska sonda u obliku slova V. Par metalnih završnih kapica pokreće piezoelektrični keramički disk koji radijalno vibrira kako bi proizveo vibraciju savijanja; Slika 5b je diskasti pretvornik savitljivosti, koji koristi PZT- u dizajnu. 4 Radijalno polarizirani piezoelektrični keramički prsten pokreće zakrivljeni disk. Disk je podijeljen na 16 jednakih sektora duž radijalnog proreza kako bi se smanjila veza bočnih vibracija. Fleksibilni pretvarači ova dva strukturna oblika imaju karakteristike niske rezonantne frekvencije, male geometrijske veličine i visoke elektroakustičke učinkovitosti.

Slika 5 Pretvarač savijanja i napetosti ravnog rotirajućeg tijela

1.2 Napredak istraživanja visokofrekventnih širokopojasnih pretvornika

Osim daljine detekcije kao važnog pokazatelja podvodne akustičke opreme, drugi smjer razvoja je dobivanje maksimalne količine informacija o cilju kao glavna svrha. Na primjer, sonar slike visoke razlučivosti, podvodna akustična komunikacija visoke brzine prijenosa podataka, itd. Zahtijeva visokofrekventni način rada, a radni frekvencijski pojas je što je moguće širi. Stoga je visokofrekventni širokopojasni podvodni akustični pretvarač postao ključna komponenta sustava, slično optici. Objektiv slikovnog sustava je isti.

 

Slika 6a je a visokofrekventni širokopojasni pretvarač s piezoelektričnim keramičkim stupom i odgovarajućim slojem. Proučava se omjer razmaka piezoelektrične keramike i veličine keramike i utjecaj materijala za punjenje na propusnost. Visokofrekventna širokopojasna sonda s dvostrukim slojem za usklađivanje dizajnirana na slici 6b koristi piezoelektrične keramičke stupove za formiranje niza, a zatim dodaje dvostruku strukturu sloja s podudaranjem od metalnog sloja i smolastog kompozitnog materijala za postizanje performansi visokofrekventne širokopojasne akustične emisije. Slika 6c prikazuje dizajnirani 1-1-3 piezoelektrični kompozitni visokofrekventni širokopojasni pretvornik, koji se sastoji od 1-dimenzionalnih povezanih piezoelektričnih stupova i 1-dimenzionalnih povezanih metalnih stupova poredanih paralelno u 3-dimenzionalnoj povezanoj polimernoj matrici. Formiran je trofazni piezoelektrični kompozitni materijal i razvijen je visokofrekventni širokopojasni odašiljač. Slika 6d prikazuje dizajnirani 1-3 piezoelektrični kompozitni visokofrekventni širokopojasni pretvornik, koji koristi učinak spajanja debljinskog vibracijskog načina i poprečnog vibracijskog načina prvog reda za realizaciju širokopojasnih radnih karakteristika. Slika 6e prikazuje projektirani piezoelektrični kompozitni prstenasti visokofrekventni širokopojasni pretvarač. Piezoelektrični kompozitni prsten dobiva se radijalnim rezanjem piezoelektričnog keramičkog prstena i izlijevanjem epoksidne smole. Tada se dobivaju dva piezoelektrična kompozitna prstena različite debljine stjenke. Kompozitni prsten je superponiran kako bi formirao radijalno zračeći pretvarač s dvostrukom rezonancijom.

 

Slika 6. Visokofrekventni širokopojasni pretvarač