Tehnološke inovacije u razvoju podvodnih akustičnih pretvornika (1)

Tehnološke inovacije u razvoju podvodnih akustičnih pretvornika

 

 

70,8% Zemljine površine čine oceani. Ogromni ocean najveća je riznica resursa na zemlji, a ocean je također važna pozicija za međunarodne vojne borbe. Istraživanje, razvoj i korištenje oceana neodvojivi su od zvučnih valova. Zvučni valovi jedini su prijenosnik informacija koji može putovati na velike udaljenosti u oceanu. Istraživanje i razvoj morskih resursa, podvodni komunikacijski pretvornik i navigacija brodova, otkrivanje i prepoznavanje podvodnih ciljeva, praćenje okoliša i predviđanje prirodnih katastrofa i tako dalje, sve se oslanja na podvodnu akustičnu tehnologiju za postizanje. Razvoj podvodne akustične tehnologije zahtijeva podršku svih vrsta podvodnih akustičnih pretvarača. Zadatak podvodnih akustičnih pretvarača je odašiljanje i primanje zvučnih valova pod vodom, pa se nazivaju 'oči i uši podvodne akustične opreme', za koje se može reći da su podvodni akustični pretvarači. Rođenje 'H' označava početak razvoja hidroakustičke tehnologije. Tehnički napredak hidroakustičkih pretvarača važan je preduvjet i temelj brzog razvoja hidroakustičke tehnologije(1)

 

The podvodni akustični pretvornik nije jednostavno izolirano područje, već multidisciplinarno tehničko područje. Usko povezani predmeti uglavnom uključuju: fiziku, znanost o materijalima, matematiku, mehaniku, elektroniku, kemiju, mehaničku znanost itd., tako da podvodna akustika Iako sonda ima samo povijest više od stotinu godina razvoja, sada je postala živahno predmetno polje. Hitna potreba iz područja hidroakustičke tehnologije izravni je pokretač razvoja hidroakustičkih pretvornika, a razvoj funkcionalnih materijala i tehnološki napredak najvažnija su materijalna podloga za razvoj hidroakustičkih pretvornika. Kroz povijest razvoja hidroakustičkih pretvarača, kako bi se u najvećoj mjeri zadovoljili sve veći tehnički zahtjevi u području hidroakustike, pripadajući funkcionalni materijali stalno se ažuriraju. Ljudi su proveli posebna istraživanja primjene oko karakteristika različitih funkcionalnih materijala i dizajnirali su nove tehnologije i predložene su nove strukture, koje su poboljšale i poboljšale sveobuhvatnu tehničku izvedbu sonde, što je omogućilo beskonačan tok inovativnih rezultata istraživanja na sondi. Autor odabire neke tipične istraživačke primjere lansirnih pretvarača, analizira i sažima inovativne ideje ovih istraživanja iz nekoliko različitih kutova, te se nada mladim znanstvenicima pružiti određene smjernice i prosvjetljenje, te aktivno istraživati ​​dubinske aspekte klasičnog istraživačkog rada.

 

1. Tehnička inovacija podvodnog akustičnog pretvornika na bazi funkcionalnih materijala

 

Godine 1915. Paul Langevin iz Francuske i drugi koristili su kondenzatorski odašiljač i prijemnik čestica ugljika za izvođenje podvodnih akustičnih eksperimenata. Ova dva uređaja za odašiljanje i prijam trebali bi biti primitivni podvodni akustični pretvornici; 1917 ～ 1918 Langevin Zhiwan dizajnirao je i poboljšao kvarcni pretvarač. Njegov vibrator sastoji se od nekoliko piezoelektričnih kvarcnih ploča u sendviču između dvije debele čelične ploče. Ova se struktura naziva Langzhiwan sonda. Budući da prirodni kvarc ne može zadovoljiti sve veću potražnju, utvrđeno je da sintetička piezoelektrična kristalna Rochelle sol topljiva u vodi ima jači piezoelektrični učinak od kvarca, ali problem njegove stabilnosti ograničava opseg primjene, a piezoelektricitet je malo inferioran. Kristali amonijevog dihidrogen fosfata (ADP), zbog svojih relativno stabilnih svojstava, naširoko su korišteni u Drugom svjetskom ratu. Godine 1920. magnetostrikcijski učinak primijenjen je u podvodnim akustičnim pretvornicima; 1925. dizajnirani su i primijenjeni magnetostrikcijski pretvornici nikla; 1931. godine, dubinsko proučavanje tankih ploča nikla dovelo je do brzog razvoja magnetostrikcijskih pretvarača. I postupno zamijenjeni piezoelektrični kristalni pretvornici; 1944. godine otkriveno je da keramika barij-titanata ima jaku piezoelektričnost nakon polarizacije, a njen gubitak je mnogo manji nego kod magnetostriktivnih materijala. Kasnije, barij-titanat piezoelektrični keramički pretvornici Brzo se razvio; polarizirana olovo cirkonat titanat keramika (PZT) otkrivena 1954. ima jači piezoelektricitet. Do danas je PZT piezoelektrična keramika još uvijek glavni funkcionalni materijal podvodnih akustičnih pretvarača.

 

U 1970-ima, dr. Clark AE u Sjedinjenim Državama razvio je divovsku magnetostriktivnu ternarnu leguru rijetke zemlje Terfenol-D. Od 1990-ih, relaksacijski feroelektrični monokristalni materijali PZN-PT i PMN s visokonaponskim električnim svojstvima i visokom gustoćom energije -PT otkrivani su jedan za drugim, a napravljeni su novi pomaci u istraživanju primjene ova tri materijala. Ovaj odjeljak usredotočit će se na rezultate istraživanja ovih novih funkcionalnih pretvarača materijala.

 

⒈Nova generacija magnetostrikcijskih materijala i njihovih pretvarača

Nova generacija magnetostriktivnih materijala uključuje materijale od legura rijetkih zemalja i legura rijetkih metala. Ogromni magnetostrikcijski učinak materijala od legura rijetkih zemalja prvi je put otkriven u uvjetima niske temperature. Najveća magnetostrikcijska deformacija materijala Tb0.6Dy0.4 na 77K je 0,65%, a najveća magnetostrikcijska deformacija Terfenol-D na sobnoj temperaturi je 0,25%. Postoje dokumenti koji pokazuju da je razvijen magnetostriktivni uzdužni pretvornik s dva klipa kojeg pokreće supravodljiva zavojnica. Magnetostriktivna šipka od legure rijetke zemlje (terbij-disprozij) nalazi se u prostoriji za klimatizaciju (temperatura 50-60K), a rashladni toranj cirkulira i hladi rashladni toranj hladnjaka. U prostoriji, zavojnica od supravodljivog materijala osigurava DC prednaponsko magnetsko polje i pobudno magnetsko polje za pobuđivanje magnetostrikcijske šipke za generiranje rasteznih vibracija i njihovo prenošenje na klipnu površinu koja zrači kroz mehanički prijelazni dio. Klipna površina koja zrači gura vodeni medij za stvaranje tlačnih valova za zračenje. 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 je 430 Hz, maksimalna razina izvora zvuka je 181,4 dB, a učinkovitost je oko 25%. Ovaj podvodni hidrofonski pretvarač komplicira proizvodni proces kako bi se dobili radni uvjeti na niskim temperaturama. Posljednjih godina ljudi su voljni koristiti materijal Terfenol-D koji radi na sobnoj temperaturi kako bi se pojednostavio proizvodni proces, dok se s novom strukturom postiže izvrsna učinkovitost zračenja.

 

To je osmerokutni odašiljač pokretan Terfenol-D koji je dovršio Butler 1980. godine. 16 šipki rijetkih zemalja raspoređeno je u dva sloja, a 8 šipki rijetkih zemalja u svakom sloju spojeno je u osmerokut preko klinastog prijelaznog bloka i formira zatvoreni magnetski krug, prijelazni blok je povezan s površinom zračenja dijela cilindra (blizu središnjeg kuta od 45° kut), a šipka rijetke zemlje je prednapeta kroz žice za naprezanje visoke čvrstoće između prijelaznih blokova. Unutarnje prednaprezanje šipke rijetke zemlje je oko 13,8 MPa, a rezonantna frekvencija pretvarača u vodi Na 775 Hz, uspoređeni su nelinearni pogon pod uvjetima magnetskog polja DC prednaprezanja i uvjeti nepristranog polja, a realizirana je razina izvora zvuka od 189,8 dB pod uvjetima magnetskog polja DC prednapona i 196,2 dB pod uvjetima nepredstranog magnetskog polja bez pristranosti.