Tehnološke inovacije u razvoju podvodnih akustičnih pretvornika (2)

     Tehnološke inovacije u razvoju podvodnih akustičnih pretvornika (2)

Legura željeza i galija (Galfenol) nova je vrsta magnetostriktivnog materijala koji se pojavio posljednjih godina. Njegova magnetostrikcijska deformacija je između nikla i terfenola-D, na 300 ppm (ppm je mikrovarijabla, predstavlja ΔL/L=10-6) Gore, u usporedbi s terfenolom-D, ima prednosti veće relativne propusnosti (>100), dobre obradivosti, stabilnosti na visokim temperaturama i visoke vlačne čvrstoće. Budući da materijal od legure željeza i galija ima dobru izvedbu strojne obrade i visoku mehaničku čvrstoću, može se koristiti za dizajn i obradu kućišta savitljive sonde. Slika 2b je istraživački primjer konkavnog valjkastog pretvornika savitljivosti s kućištem od legure željeza i galija. The pokreće se podvodni akustični pretvornik . Vibrator se sastoji od elemenata od legure željeza i galija Φ20 mm × 40 mm i listova trajnog magneta neodimij-željezo-bor, te tvori zatvoreni magnetski krug s ljuskom koja zrači. Eksperimentalni rezultati pokazuju da odziv struje emisije pretvarača iznosi 168,4 dB (rezonantna frekvencija 1750 Hz), što je bolje od duraluminija iste geometrijske veličine. Pretvornik kućišta (rezonantna frekvencija 1900 Hz) poboljšan je za gotovo 5 dB, što odražava prednosti dizajna aktivnog kućišta.

 

Objavljeni 2000. godine rezultati istraživanja širokopojasnog uzdužnog pretvornika magnetostrikcijsko-piezoelektrične spojne pobude. Uzdužni pretvarač zajednički pokreću Terfenol-D jedinica i PZT skup, koji ostvaruje širokopojasni rad 1,8 KHz i 3,5 KHz dvostrukog rezonantnog vršnog spajanja. Karakteristike, literatura je također izvijestila da je 4×4 planarni niz velike snage sastavljen od ove vrste sonde, razina izvora zvuka niza veća od 225 dB u frekvencijskom pojasu od 1,5-6 kHz.

 

Terfenol-D multi-unit pogonski uzdužni pretvornik, autor je genijalno dizajnirao pogonsku jedinicu, njegova struktura koristi čahuru trajnog magneta za primjenu prednaponskog magnetskog polja za odvajanje statičkog magnetskog polja od dinamičkog magnetskog kruga, a dinamički magnetski Elementi trajnog magneta s niskom propusnošću izbjegavaju se na cesti, a učinak pokretanja energije magnetskog polja se povećava; je fizički dijagram pogonske jedinice. 4 takve pogonske jedinice mehanički su spojene u seriju da tvore niskofrekventnu uzdužnu zamjenu s prednjim poklopcem i repnom masom. Energetski uređaj, središnji vijak je prednapet; Slika 3c je stvarna slika sonde nakon pakiranja, rezonantna frekvencija sonde je 1,6 kHz, a razina izvora zvuka je 177 bB.

 

Dizajn magnetskog kruga magnetostrikcijskog pretvarača vrlo je važan. Butler je uzeo konkavni bačvasti flekstenzioni pretvornik kao primjer i usporedio radne učinke šest shema magnetskog kruga kroz analizu konačnih elemenata. Strukture magnetskog kruga na sl. 4a-f su redom .kontinuirana šipka rijetkih zemalja plus magnetno propusni završni poklopac i rukavac od čistog željeza, kontinuirana šipka rijetkih zemalja plus završni poklopac pomoćnog uređaja propusnog za čisto željezo, kontinuirana šipka rijetkih zemalja bez dodatka propusnog za čisto željezo, kombinacija šipke rijetkih zemalja i trajnog magneta plus krajnji poklopac i rukavac propusni za čisto željezo, kombinacija šipke rijetke zemlje i trajnog magneta plus krajnji poklopac od čistog željeza, magnetski propusni dodatak, kombinacija šipke za rijetke zemlje i permanentnog magneta bez dodatnog magneta od čistog željeza, efektivni koeficijenti elektromehaničke sprege izračunati su na 0,33, 0,30, 0,27, odnosno 0,23, 0,21 i 0,20, što ukazuje da je efektivni koeficijent elektromehaničke sprege rijetke zemlje vibrator se mijenja s kontinuirane šipke rijetkih zemalja na šipku rijetkih zemalja u kombinaciji s trajnim magnetom. Završne kapice i rukavci magnetski propusnih dodataka od čistog željeza imaju određeni učinak na poboljšanje performansi elektromehaničke spojke vibratora rijetke zemlje, ali za pogonske materijale s niskom relativnom propusnošću kao što je Terfenol-D, poboljšanje je malo, a efektivni koeficijent elektromehaničke sprege određen je s 0,20 do 0,23 ili 0,27 do 0,33.

 

 

2. Nova generacija piezoelektričnih materijala i njihovih pretvarača

Sve do prve polovice 20. stoljeća svi piezoelektrični materijali bili su monokristali. Polikristalni piezoelektrični keramički barijev titanat prvi je put otkriven 1950-ih, nakon čega je uslijedio olovo cirkonat titanat (PZT) 1960-ih. Učinak ove piezoelektrične keramike daleko premašuje učinak ranih pojedinačnih kristala, a PZT je od tada postao glavni funkcionalni materijal podvodnih akustičnih pretvarača.

Sredinom 1990-ih otkriveni su novi piezoelektrični monokristali olovo magnezij niobat-olovo titanat (PMN-PT) i olovo cink niobat-olovo titanat (PZN-PT), ova dva piezoelektrična monokristala materijala. Imaju vrlo visoko naprezanje zasićenja (više od 1%), male gubitke i visok koeficijent piezoelektrične sprege (veći od 0,9), pokazujući potencijalne prednosti povećanja snage i širenja frekvencijskog pojasa u smjeru podvodnog akustičnog pretvarača. U posljednjih nekoliko godina, trojni olovo indij niobat-olovo magnezij niobat-olovo titanat (PIN-PMN-PT) i manganom dopirani olovo indij niobat-olovo magnezij niobat-olovo titanat (Mn: PIN-PMN-PT) piezoelektrični monokristalni materijal, koji dodatno poboljšava radne karakteristike u uvjetima jakog električnog polja.

Primjena piezoelektričnih monokristalnih materijala kao što je PMN-PT u području podvodne akustike započela je dizajnom i razvojem longitudinalnih pretvarača. Meyer i drugi proveli su niz istraživačkih radova, uključujući detaljnu analizu 33-modnih i 32-modnih PMN-PT longitudinalnih pretvarača, te komparativnu studiju s PZT-8. Slika 5a je 33-modna longitudinalna sonda koju pokreće niz od 10 PZT-8 pločica, Slika 5b je 33-modna uzdužna sonda pokretana snopom od 3 PMN-PT pločice, a Slika 5c je 4 PMN-PT. Duge trake tvore 32-modnu u obliku 'usta'. longitudinalni pretvarač. Rezultati pokazuju da kada se PMN-PT i PZT-8 koriste za izradu longitudinalnih pretvornika s istom frekvencijom i razinom izvora emisije i drugim parametrima, PMN-PT kristal Duljina snopa je samo oko 30% od PZT-8, što pokazuje tehničke prednosti piezoelektričnih monokristalnih materijala za izradu malih pretvornika; način rada 32 može učiniti da se monokristalni materijali režu u skladu s najboljom orijentacijom performansi, a u isto vrijeme koristi kombinaciju dugih traka. Može izbjeći tehničke probleme kao što je uzgoj pojedinačnih pločica velike veličine, poboljšati pouzdanost i dosljednost sonde i ima očite prednosti za aplikacije s nizom sonara srednje i visoke frekvencije.

Monokristal je razvio a cilindrični odašiljač sastavljen od umetnutih prstenova. Svaki prsten sastoji se od 12 traka klinastog oblika, a 9 prstenova čvrsto je spojeno u aksijalnom smjeru kako bi oblikovali cilindar. Geometrijska veličina (Φ20,3 mm × 66 mm) znatno je manja od piezoelektričnog keramičkog pretvarača iste frekvencije i ostvaruje širokopojasne radne karakteristike veće od 2,5 oktave. Drugi dokument koristi monokristal PMN-PT za razvoj konkavne bačvaste flekstenzijske sonde. Pogonski vibrator sonde sastoji se od niza od 16 aksijalno polariziranih elemenata Φ28mm×Φ10mm×4,8mm i vibracijske ljuske od legure titana. Naponski odziv emisije poboljšan je za više od 5 dB u usporedbi s pretvaračem iste strukture od PZT-4 materijala.

Temperatura trigonalno-tetragonalnog faznog prijelaza monokristala PMN-PT je relativno niska, što u određenoj mjeri ograničava područje njegove primjene, posebno za primjene u uvjetima velike snage. Ternarni olovo indij niobat-olovo magnezij niobat-olovo titanat (PIN-PMN-PT) i monokristal dopiran manganom (Mn: PIN-PMN-PT) čine temperaturu faznog prijelaza relaksorskog feroelektričnog monokristala očitom Povećajte i uvelike smanjite faktor gubitka u isto vrijeme: temperatura faznog prijelaza je povećana sa 95°C na 125°C, faktor gubitka je smanjen s 0,26 do 0,15, a faktor gubitka je samo 1/2 od uobičajene PZT-4 piezoelektrične keramike. Također postoji literatura koja koristi ova dva monokristala nove formule, PMN-PT i PZT-4 za izradu uzdužnih pretvornika i usporedbu njihovih radnih karakteristika velike snage, što dokazuje da je monokristalni materijal nove formule prikladniji za uvjete velike snage i velikog radnog ciklusa. Razina izvora zvuka PMN-PT sonde je 5dB viša od one PMN-PT sonde na rezonantnoj frekvenciji. U usporedbi s PZT-4 piezoelektričnom keramikom, razina izvora zvuka i kapacitet snage na rezonantnoj frekvenciji u osnovi su ekvivalentni, a radna širina pojasa povećana je za 1 put, a maksimalna razina izvora zvuka izvan rezonantne frekvencije povećana je za oko 6 dB.

 

Istraživanje primjene monokristalnog materijala PMN-PT uglavnom je usredotočeno na medicinski visokofrekventni ultrazvučni sustav snimanja. Ovdje je samo jedan slučaj istraživanja primjene hidro-akustične sonde Cymbal, korištenjem PMN-PT elementa Φ12,7 mm × 1 mm za pogon titana debljine 0,25 mm. Vibraciona kapa od legure na savijanje razvila je pretvornik napetosti savijanja male veličine tipa Cymbal, koji ima 6dB veći odziv napona emisije od PZT-4 upravljane sonde s istom strukturom.

 

2. Tehnička inovacija strukture i tehnologije podvodnog akustičnog pretvarača

⒈Tehnička inovacija za poboljšanje karakteristika snopa

U modernim sonarima općenito se koriste različiti osnovni nizovi kako bi se postigle potrebne karakteristike snopa. Međutim, kada je instalacijski otvor pretvornika ograničen i postoje posebni zahtjevi za karakteristike snopa, potrebno je poduzeti tehničke mjere za kontrolu karakteristika snopa pretvornika. Glavni tehnički pristupi za poboljšanje uključuju: primjenu pregrade, modalnu superpozicijsku tehnologiju koja koristi dipole i multipole, itd. Ovaj odjeljak odabire neke tipične istraživačke primjere, usredotočujući se na analizu i sažetak upotrebe modalnih superpozicijskih metoda za poboljšanje karakteristika snopa pretvornika. Tehnička dostignuća.

⑴Korištenje pregrade za poboljšanje karakteristika snopa sonde

U ranom sonarnom sustavu općenito se koristio neovisni pretvarač. Kada usmjerenost ne može zadovoljiti zahtjeve, refleksija pregrade koristi se za kontrolu prijenosnog snopa, što uglavnom uključuje prolazak kroz ravnu pregradu, cilindričnu pregradu i sferičnu pregradu. Pločasta i konusna pregrada za promjenu usmjerenosti cilindričnih pretvornika, klipnih pretvornika, sfernih pretvornika itd., u određenoj mjeri zadovoljavaju potrebe jednosmjerne kontrole prijenosnog snopa, kao što je prikazano na slici 6, korištenje dvostrukih konusa. Reflektivna pregrada prilagođava usmjerenost magnetostriktivnog toroidalnog pretvornika i ostvaruje jednostranu karakteristiku zračenja snopa.

 

Postoji literatura da se flekstenzijski pretvornik tipa IV od 3kHz postavlja u blizini žarišta pregrade paraboličnog reflektora, tako da flekstenzijski pretvornik tipa IV sa svojom vlastitom neusmjerenošću može postići karakteristike jednosmjernog zračenja. Pokusom se dobiva kut otvaranja jednog kuta od 83°. Razlika prednjeg i stražnjeg odziva prema snopu je 21 dB.

⑵ Modalna kombinacija usmjerenog pretvarača

Različiti strukturni pretvornici imaju različite načine vibracija više reda. Rezonantni pretvornici općenito rade na temelju načina vibracije osnovne frekvencije. Različiti načini vibracije će odgovarati njihovim učinkovitim metodama pobude, tako da se može koristiti kombinacija metoda pobude. Ostvarite superpoziciju pokretanja višestrukih načina vibracije, kako bi se postigla svrha mijenjanja karakteristika odašiljajuće zrake. Glavni načini koji mogu promijeniti karakteristike snopa pretvornika kombinacijom uključuju monopolni način, dipolni način i kvadrupolni način, itd. Ovi osnovni načini mogu postići različite uzorke usmjerenosti pomoću ponderirane kombinacije. U ovom odjeljku, u kombinaciji sa specifičnim literaturnim rezultatima, napravljena je kratka analiza i sažetak tehnologije obrade i metoda pobude različitih strukturnih pretvarača za postizanje modalne superpozicije.

Višemodalni rad pobude općenito prihvaća metodu particione pobude, kao što su: piezoelektrična keramička cijev ili sferična ljuska često usvaja metodu podijeljene elektrode, vidi sliku 7a, b; magnetostrikcijski mnogokutni ( prstenasti) pretvarač, usvaja neovisnu rubnu ekscitaciju.

 

Butler i sur. dizajnirao je i razvio 'modalni pretvarač', još uvijek koristeći dizajnersku ideju pregradne pobude, ali probijajući se kroz ograničenje podjele neovisnih komponenti, koristeći 8 neovisnih 1/4 uzdužnih vibratora za dijeljenje repne mase, svaki pretvornik. Površina koja zrači je cilindrična lučna površina blizu 45°, a oni zajedno zatvaraju podijeljeni i neovisno pokretani cilindrični emitirajući pretvarač. Geometrijska veličina pretvornika nije ograničena uvjetima procesa neovisnih elemenata, a uzdužni smjer prednapregnute konstrukcije se usvaja u isto vrijeme. Vibrator ima tehničke prednosti za dizajn niskofrekventnih i visoko-snažnih usmjerenih odašiljačkih pretvarača. Slika 8 prikazuje osnovne oblike modalnih vibracija 'modalnog pretvarača'. Dizajnirani su i razvijeni modalni pretvarači temeljeni na piezoelektričnoj keramici PZT-8, monokristalu PMN-PT i ogromnim magnetostriktivnim materijalima Terfenol-D. Dobio je kardioidnu usmjerenu odašiljačku zraku s indeksom usmjerenosti od 6 dB i 25 dB razlike u odzivu naprijed-natrag.

 

To je još jedan tip niskofrekventnog i visoko-snažnog pretvornika usmjerene emisije—zonski pobuđeni flekstenzioni pretvornik. U dizajnu, piezoelektrični skup (ili magnetostrikcijski vibrator) pretvornika fleksije-napona podvrgava se zonskoj ekscitaciji, koristeći kombinaciju monopolnih i dipolnih modova superponiranih kako bi se formirala kardioidna usmjerena emisijska zraka. Slika 9a je 900Hz usmjerenost tipa IV flekstenzijske sonde, a Slika 9b je 3kHz usmjerenosti tipa VII flekstenzijske sonde.

Literatura proučava širokopojasni višemodni cilindrični pretvarač s odbojnom pločom (prikazano na slici 10). Elektrode piezoelektrične keramičke cilindrične cijevi jednako su podijeljene u dvije skupine i neovisno se pobuđuju kako bi se dobio monopol (mod 0) i dipol (mod 1), a zatim surađuju s pregradom kako bi se ostvarila jednostrana usmjerena emisija. Istraživački rad također koristi fazni odnos između načina za dizajniranje neovisnog pojačala snage i kruga za ugađanje, kroz nisku frekvenciju '0+1' i visoku frekvenciju '0 + 1'. －1' Modalna kombinirana kontrola ostvaruje širokopojasne radne karakteristike. Pretvornik koristi 4 PZT-4 piezoelektrične okrugle cijevi Φ38,2 mm × Φ31,8 mm × 19 mm u smjeru visine, a veličina nakon pakiranja je Φ48 mm × 79 mm. Pregrada je izrađena od dva komada gume od pluta laminiranih kako bi oblikovala polukrug. cilindrična površina ima debljinu od 6 mm, a odziv napona emisije fluktuira za 6 dB u frekvencijskom pojasu 26-46 kHz.

2. Tehničke inovacije za poboljšanje frekvencijskih karakteristika

S višesmjernim proširenjem smjera primjene podvodne akustične tehnologije, radni frekvencijski raspon aktivnih sonarnih sustava kontinuirano se proširuje. Među njima, radna frekvencija sonara za slike visoke razlučivosti povećana je na 106 Hz, a radni frekvencijski pojas sonara za otkrivanje i komunikaciju na ultra velikim udaljenostima još je niži. Ispod 100 Hz; s druge strane, razvoj obrade sonarnih informacija zahtijeva da radni frekvencijski pojas pretvornika bude što širi. Stoga su niskofrekventni pretvarači i širokopojasni pretvarači posljednjih godina privukli veliku pozornost u području podvodne akustike, a rezultati istraživanja prilično su bogati. Međutim, još uvijek postoje mnogi teorijski i tehnički problemi koji nisu dobro riješeni. Ovaj će aspekt i dalje biti žarište istraživanja i fokus budućeg razvoja. U ovom odjeljku izdvajaju se istraživački radovi u smjeru niskofrekventnih pretvarača i širokopojasnih pretvarača te ih analiziraju i sažimaju. Inovativne ideje i nova tehnološka dostignuća.

⑴ Inovativni dizajn niskofrekventnog pretvarača

①Niskofrekventni pretvarač vibracija na savijanje

Prvi tehnički problem s kojim se suočava razvoj niskofrekventnih pretvarača je geometrijska veličina. Općenito, radna frekvencija rezonantnih pretvarača obrnuto je proporcionalna geometrijskoj veličini, to jest, što je niža frekvencija pretvarača, veća je geometrijska veličina, kao što je uzdužna pretvorba od 500 Hz. Duljina energetskog uređaja je oko 3m. Vibracija savijanjem može učinkovito smanjiti geometrijsku veličinu niskofrekventnih pretvarača. Među njima, pretvornici čiji funkcionalni uređaji izravno sudjeluju u vibracijama savijanja uglavnom uključuju pretvornike snopova savijanja, pretvornike savijajućih diskova itd.

Slika 11a prikazuje tipičnu konstrukciju grede za savijanje od tri naslaga. Komad piezoelektričnih keramičkih traka zalijepljen je na vrhu i dnu grede za savijanje. Kada se jedna od piezoelektričnih keramičkih traka rasteže, a druga skuplja kada je pobuđena, metalna greda u sredini proizvest će vibracije savijanja. Ova vrsta pretvorbe energije Uređaj mora biti izložen vodi s jedne strane kako bi zračio zvučne valove, tako da se obično nekoliko zakrivljenih zraka kombinira kako bi se formirala zračna šupljina, kao što je prikazano na slici 11b, svaka zračna površina vibrira u fazi.

 

Sličan princip rada naziva se zakrivljeni disk pretvornik s diskastom strukturom, koji također uključuje troslojnu i dvostruko laminiranu strukturu. Slika 11c prikazuje pretvarač kompaktnog zakrivljenog diska sastavljen od para dvostruko laminiranih ploča. (Bender). Analiza sustava Delany istraživala je Benderove radne karakteristike niske frekvencije, male veličine i velike snage.

Razvoj niskofrekventnih pretvarača savijanja vibracija također uključuje novi toroidalni pretvarač s podijeljenom strukturom (prikazan na slici 12). Razdvojeni toroidalni pretvornik može se smatrati posebnim pretvornikom savijanja snopa. Izvornu strukturu predložio je Harris 1957. Kompozitna prstenasta zraka bila je sastavljena od unutarnjeg piezoelektričnog keramičkog prstena i vanjskog metalnog prstena. Modeliranje i analiza pretvornika temeljila se na 'modelu vilice za ugađanje' prikazanom na slici 12b, a pogonski element je prilagođen podijeljenoj strukturi. Sonda s podijeljenim prstenom može biti projektirana s većom veličinom, a masa se može prilagoditi kroz raspodjelu debljine-krutost kako bi se postigla optimizacija radne frekvencije i karakteristika zračenja, kao što je prikazano na slici 12c.

 

②Pretvornik napetosti savijanja

Koncept flekstenzijske sonde polazi od Hayesovog patenta 1936. godine. Nakon što je Toulis 1966. godine objavio patent IV tipa flekstenzijske sonde, krenula su aktivna istraživanja i primjena flekstenzijske sonde kojih je do sada više od polovice. U stoljeću povijesti razvoja rođeni su različiti strukturni oblici savitljivih pretvornika, a njihovi principi rada i strukturni procesi puni su inovativnih dizajnerskih ideja. Ne možemo ih predstaviti jednu po jednu kronološkim redoslijedom njihova razvoja, već samo pretvornike savitljivosti. Struktura i metode poticaja poduzeća podijeljene su u sljedeće tri kategorije, koje su ukratko analizirane i sažete.

△Pretvornik savijanja i napetosti s cilindričnom strukturom. Ovu vrstu pretvornika pokreće uzdužni teleskopski vibrator za prevođenje savijajuće vibracijske ljuske, kao što je prikazano na slici 13. Vibrirajuća ljuska pretvornika je translacijska struktura, to jest cilindrična površina različitih oblika, pokretana jednim ili više uzdužnih teleskopskih vibratora, a je savitljivi pretvornik tipa IV, b je tip VII flextensional transducer Energetski uređaj, c je 'zvjezdasti' pretvarač napetosti savijanja pokretan ortogonalnim piezoelektričnim sklopom i pretvarač 'zvjezdolike' napetosti savijanja pokretan četverokutnim magnetostrikcijskim vibratorom. Budući da je ovu vrstu pretvarača lako dizajnirati kao razdijeljeni pobudni vibrator, gore opisani usmjereni savitljivo-tenzijski pretvarač općenito odabire ovu vrstu strukture.

△Pretvornik savijanja i napetosti s dugim rotirajućim tijelom. Ovu vrstu sonde pokreće longitudinalni teleskopski vibrator koji pokreće rotacijski simetričnu savijajuću vibracijsku ljusku, kao što je prikazano na slici 14. Vibrirajuća ljuska sonde je rotacijski simetrična struktura, uključujući niz bačvastih greda raspoređenih po obodu, koje općenito pokreće uzdužni teleskopski vibrator. Slike 14a i b su konveksni oblici strukture i konkavne strukture pretvornika savitljivosti tipa I; kao što je prikazano na slici 14c, uzdužni ekscitacijski vibrator pretvornika produljuje se u aksijalnom smjeru kako bi se povećao volumen funkcionalnog materijala da se razvije u savitljivi pretvornik tipa II; kao što je prikazano na slici 14d, savitljiva vibracijska ljuska je dizajnirana u obliku dva ili više odjeljaka, razvijena je u savitljivi pretvornik tipa III. Fleksibilni pretvarači tipa II i tipa III imaju odgovarajuće konkavne strukture.

△Pretvarač savijanja i napetosti s ravnim rotirajućim tijelom. Ovu vrstu sonde pokreće radijalno ekspandirajući vibrator koji pokreće rotacijski simetričnu savijajuću vibracijsku ljusku, kao što je prikazano na slici 15. Vibrirajuća ljuska sonde je rotacijsko simetrična struktura, općenito par konveksnih ili konkavnih sferičnih kruna (ili sferičnih kruna), pokretanih radijalno ekspandirajućim prstenastim ili disk vibratorom, Slika 15a prikazuje prstenastu pogonsku V-tipsku sondu savitljivosti, b je pločicu pokretanu V-tipsku savitljivu sondu, c je savitljivu sondu tipa VI, d i e su male savitljivo-tenzijske sonde razvijene na temelju strukture b Uređaj se zove Cymbal sonda.

△ Niskofrekventni pretvornik šupljine. Helmholtzov rezonator osnovni je oblik podvodnog akustičnog pretvornika sa šupljinom, kao što je prikazano na slici 16. a, b i c su tri osnovne strukture Helmholtzovih rezonatora, koji koriste pobudu piezoelektričnom keramičkom cijevi, pobudu diskom za savijanje i pobudu piezoelektričnom keramičkom kuglom. Helmholtzovi rezonatori općenito imaju uzak radni frekvencijski pojas, a d se koristi na temelju b. Dvostruke radne površine zakrivljenog diska pobuđuju rezonantne šupljine različitih volumena kako bi se ostvarila operacija dvostruke rezonancije. Literatura je uspostavila potpuniji model analize Helmholtzovog rezonatora i analizirala odnos između radnih karakteristika i strukturnih parametara Helmholtzovog rezonatora od 300 HZ. Morozov i sur. dizajnirao izvor zvuka podvodnih orgulja (prikazano na slici 17). Dizajn na slici 17a ostvaruje ugađanje frekvencije pomicanjem rukavca za promjenu impedancije rezonantnog sustava. Frekvencija ugađanja kreće se od 225 do 325 Hz, a učinkovitost je do 80% ili više, odražavajući sustav visokog Q (faktor kvalitete) s karakteristikama visoke učinkovitosti; Slika 17b Dizajn koristi strukturu s dvostrukom cijevi s ugrađenim sfernim izvorom zvuka za postizanje dvofrekventne rezonancije. Niskofrekventna rezonancija je rezonancija šupljine koja se sastoji od rukavca dvostrukog presjeka. Visokofrekventna rezonancija je samo rezonancija koja odgovara unutarnjoj rezonantnoj cijevi. Vanjski omotač i unutarnja rezonantna cijev mogu koristiti metalni aluminij ili nemetalne materijale od karbonskih vlakana.

⑵ Inovativni dizajn širokopojasne sonde

U povijesti razvoja podvodne akustičke tehnologije proizvedeni su različiti strukturni oblici podvodnih akustičnih pretvarača, od kojih svaki ima radne karakteristike određene svojim strukturnim karakteristikama. Kako bi se prilagodio inženjerskim potrebama širokopojasnih aplikacija, gotovo svaki strukturni pretvornik suočava se s tehničkim problemima širokopojasnog dizajna i poboljšanja procesa. Među njima, longitudinalni pretvornik jedan je od najčešćih strukturnih oblika pretvornika u području podvodni širokopojasni pretvornik . Rezultati istraživanja dizajna i primjene širokopojasnog pristupa vrlo su bogati. Tehnički principi širokopojasnog dizajna drugih strukturnih pretvornika u osnovi su slični. Ovaj odjeljak usredotočen je na niz novih dizajnerskih ideja temeljenih na uzdužnim sondama za postizanje širokopojasnih karakteristika.

① Širokopojasni longitudinalni pretvornik kombinacije pojasa

Primjena kombinacije frekvencijskih pojaseva već je započela u ranoj fazi razvoja sonarne tehnologije. Rani radovi viđeni su 1940-ih. Tri magnetostrikcijska longitudinalna pretvornika s različitim frekvencijama rezonancije korištena su za pokretanje pravokutne ploče koja zrači i šest pretvornika u ljestvičastom rasporedu. Pokretan zajedničkim namotajem (prikazan na slici 18), nezavisne rezonantne frekvencije pretvarača su 21,5, 23 i 24,5 kHz, Q=12 i Q=4 nakon kombinacije. Iako ova metoda kombinacije frekvencijskog pojasa nije strogo širokopojasni pretvornik, još uvijek se naširoko koristi u području podvodne akustike, posebno u akustičnim sustavima kao što su simulacija buke i akustični mamci. Kombinacija uređaja ostvaruje ultraširokopojasne karakteristike emisije.

 

② Širokopojasni uzdužni pretvarač s modalnim spajanjem

U analizi jednodimenzionalnog modela obično se pretpostavlja da prednji poklopac uzdužnog pretvarača vibrira na način klipa, odnosno ne dolazi do vibracija na savijanje. Kada je sirena površine zračenja sonde relativno široka, mora biti popraćena vibracijom savijanja, što je razumno. Upotrebom načina vibracije savijanja prednjeg poklopca za učinkovito spajanje s načinom uzdužne vibracije, može se dizajnirati širokopojasna uzdužna sonda. Literatura je proučavala učinak sprege vibracija savijanja i uzdužnih vibracija kvadratne zračeće pokrovne ploče i dizajnirala širokopojasni pretvarač. U drugoj literaturi, disk za vibriranje i savijanje ugrađen je u poklopac zračenja, a disk za savijanje je spojen s načinom vibracije uzdužnog pretvornika, a širokopojasni pretvornik dizajniran je i razvijen kao što je prikazano na slici 19a. Piezoelektrični skup uzdužnog pretvarača može se konstruirati u više skupina. Kao što je prikazano na slici 19b, osnovna struktura pretvornika koristi dvostruku pobudnu modalnu spregu za postizanje širokopojasnog rada. Butler se temelji na strukturi uzdužnog pretvornika s dvostrukom pobudom. Detaljan razvoj, kao što je upotreba magnetostriktivne i piezoelektrične hibridne dvostruke pobude za projektiranje širokopojasnog longitudinalnog pretvarača, i prednjeg poklopca za lijepljenje sloja za usklađivanje 1/4 valne duljine, i projektiranje ultraširokopojasnog longitudinalnog pretvarača za spajanje rezonantnog načina trećeg reda. Uređaj, kao što je prikazano na slici 19c, ima radni frekvencijski pojas od 13 do 37 kHz.

③Širokopojasni uzdužni pretvarač spojen s tekućinskom šupljinom

Tipična izvedba spojnice između uzdužnog pretvarača i tekućinske šupljine je Janus-Helmholtzov pretvarač (prikazan na slici 20). Longitudinalni pretvarač ima dvostruku zračeću strukturu, nazvanu Janus, s cilindričnim rukavcem dizajniranim da formira Helmholtzovu rezonantnu šupljinu između Janusovih dvostrukih zračećih glava; rezonantni pretvornik opće tekućinske šupljine ima uzak radni frekvencijski pojas. U Janus zajedničkoj primjeni, širokopojasni prijenos može se ostvariti kroz optimiziran dizajn modalnog spajanja.

Gall je dizajnirao dvije Janus-Helmholtz sonde, 300 Hz i 160 Hz, i detaljno proučavao učinak dodavanja popustljive cijevi u Helmholtz rezonantnu šupljinu na širokopojasne radne karakteristike sonde.

⒊Tehnička inovacija za poboljšanje snage emitiranog zvuka

Izravan način povećanja zvučne snage podvodnog akustičnog pretvornika je povećanje volumena pretvornika, povećanje broja i formiranje zbijene matrice. Najučinkovitija metoda je korištenje funkcionalnih materijala visoke gustoće energije. U prethodnim poglavljima objašnjena je primjena funkcionalnih materijala visoke gustoće energije. Ovaj odjeljak usredotočen je na tehničke inovacije u strukturi i procesu pretvornika velike snage malog volumena.

U opisivanju prednosti i nedostataka male veličine i značajki velike snage pretvornika, za mjerenje se općenito koristi volumenska vrijednost, tj.

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Formula ⑴ definira faktor zasluge volumena određene vrste sonde, gdje je: Wa zvučna snaga (W), V je zapremnina sonde (m3), f0 je frekvencija rezonancije (Hz), Q je faktor kvalitete, Faktor zasluge volumena uređaja usko je povezan sa strukturom i funkcionalnim materijalima. Delany je dizajnirao i razvio kompaktni zakrivljeni disk pretvornik (Bender), te je sustavno analizirao i proučavao radne karakteristike Benderovog rada niske frekvencije, male veličine i velike snage.

 

 

Postoji literatura koja projektira pretvornik savijanja i napetosti konkavne strukture tipa I (konkavni bačvasti tip) u kompaktniju kombinaciju, koja omogućuje više klastera pretvornika u ograničenom volumenu za maksimiziranje pomaka volumena i postizanje velikih karakteristika snage, kao što je prikazano na slici 21, vrhovi 6 savitljivo-napetih pretvornika tipa I grupirani su zajedno da tvore 'trodimenzionalnu šesterokraku zvijezdu' fleksibilni ekstenzioni pretvarač, koji ima karakteristike kompaktne strukture, niske frekvencije, velike snage i širokog frekvencijskog pojasa: osnovna rezonantna frekvencija Odaziv napona prijenosa na 1,15 kHz je 127 dB, višesmjeran, a odziv napona prijenosa od 800 Hz do 10 kHz veći je od 120 dB. Parametar FOMv nije naveden u literaturi, a očekuje se da bude jednak ili viši od 'zvjezdastog' flekstenzijskog pretvornika.

Gore navedeni dizajn i analiza u potrazi za malom veličinom i velikom snagom u osnovi polaze od električnih i mehaničkih ograničenja i uzimaju u obzir samo gustoću energije funkcionalnih materijala i granicu vibracija strukture. Kada pretvornik zahtijeva dugi puls ili kontinuirani rad, toplina i rasipanje topline pretvornika bit će najveći problem u uvjetima velike snage. U ovom trenutku, toplinska granica je glavni čimbenik koji ograničava krajnju snagu pretvarača. Toplinska granica pretvornika jedno je od važnih osnovnih pitanja koja se bave inženjerstvom. Baš kao i detalji procesa sonde, nema mnogo javno objavljenih istraživačkih radova. Postoji literatura za modeliranje i analizu toplinskih problema pretvornika niske frekvencije i velike snage, te raspravlja o problemima toplinske vodljivosti Janus-Helmholtzovih i savitljivih pretvornika tipa IV. Kada sonda radi u plitkoj vodi, posebno prijenos niske frekvencije i velike snage, povećanje zvučne snage također će biti ograničeno akustičnim ograničenjem faktora kavitacije. U ovoj pozadini, metoda povećanja snage jednog pretvarača više nije učinkovita. Osnovni niz također će biti ograničen, tako da postoji samo jedan način za formiranje rijetkog osnovnog niza.

Stoga je pri projektiranju pretvornika niske frekvencije i velike snage potrebno racionalno odabrati strukturni oblik i materijale pogonske funkcije, uzimajući u obzir čimbenike kao što su električna granica, mehanička granica, toplinska granica i akustična granica, te napraviti cjelokupnu analizu i opsežnu optimizaciju. Postoji optimalan odnos između granične snage i volumena pretvarača. Dubinska istraživanja o tome bit će jedan od tehničkih smjerova pretvornika niskih frekvencija i velike snage u budućnosti.

 

⒋Tehnološka inovacija za povećanje otpornosti na hidrostatski tlak

Trenutačno je akademska zajednica predložila razvojne ideje kao što su transparentni oceani i informatizirani oceani. Cilj je omogućiti podvodnoj informacijskoj tehnologiji da pokrije sve kutove oceana, uključujući polarne regije i bezdanske rovove. Stoga su postavili zahtjeve za korištenje podvodnih akustičnih pretvarača na većoj dubini. Čak izazovite sposobnost rada u dubokim morima. Kapacitet otpornosti pretvornika na hidrostatski tlak usko je povezan sa strukturom pretvornika, posebno za niskofrekventne pretvornike emisije niske strukturne krutosti. Rješavanje tehnologije strukture otporne na hidrostatski tlak postalo je važna tema u trenutnom polju tehnologije pretvornika. Trenutačne učinkovite metode i sredstva za rješavanje radne dubine uglavnom uključuju punjenje tekućinom, usklađeno punjenje tekućinom u cijevima, prirodnu konstrukcijsku potporu, kompenzaciju visokotlačnog plinskog cilindra, kompenzaciju zračnog jastuka, itd., na radnim dubinama iznad 1000 m, jedina učinkovita tehnička metoda je tehnologija punjenja tekućinom, uključujući Tip slobodnog preljeva izravno koristi morsku vodu kao tekućinu za punjenje ili puni neke medije impedancije ulja za postizanje ravnoteže samostatičkog tlaka; unutar 1000 m, cijev otporna na pritisak može se koristiti u tekućinskoj šupljini u isto vrijeme kako bi se poboljšala popustljivost tekuće šupljine; U krugu od 200 m, prirodna potpora strukture može izdržati hidrostatski pritisak. Neki pretvarači s vrlo niskom strukturnom krutošću (kao što su pretvarači s pokretnom zavojnicom) mogu koristiti visokotlačne zračne cilindre za kompenzaciju tlaka. Općenito, unutar 100 m, može se koristiti kompenzacija zračnog jastuka. Pretvornik strukture šupljine koji je gore predstavljen može se općenito dizajnirati kao način rada ispunjen tekućinom za postizanje rada u dubokoj vodi. U ovom odjeljku dano je nekoliko primjera primjene dizajna konstrukcije ispunjene uljem.

 

Kendigov . istraživački rad objavljen 1965., kombinirana primjena 4 PZT-4 piezoelektrična keramička diska pokretana uzdužnim pretvornicima, ispunjenih silikonskim uljem za zaštitu praznine nastale između čelične ljuske (uključujući gumenu ploču koja prenosi zvuk) i pretvornika. Šupljina je povezana sa stražnjom komorom za tekućinu Prednja zvučno propusna guma i stražnji gumeni prozor u kontaktu su s morskom vodom kako bi se postigla unutarnja i vanjska ravnoteža tlaka. Radni pojas pretvornika je 30-50kHz, a eksperimentalno je proučavan rad unutar područja hidrostatskog tlaka od 0-6,9MPa. Karakteristično je da se ova metoda ravnoteže tlaka još uvijek koristi u mnogim nizovima dubokovodnih sonara. Slika 22b prikazuje toroidalni pretvarač slobodnog preljeva sa strukturom ispunjenom uljem. Piezoelektrični keramički prsten obješen je u poliuretansku gumenu čahuru, a unutrašnjost je ispunjena silikonskim uljem za postizanje ravnoteže tlaka s vanjskim svijetom. Navlaka od poliuretanske gume je idealan materijal za prijenos zvuka, ova vrsta sonde ima slične radne značajke kao oblik premaza izravne infuzije od poliuretanske gume. Za okruglu cijev PZT-4 Φ 150 mm × Φ 140 mm × 50 mm, analiza simulacije i eksperimentalna studija poliuretanske gume u frekvencijskom rasponu od 5 ～ 10 kHz. Materijal rukavca zamijenjen je legurom titana ili čelikom. Kao rezultat toga, legura titana smanjuje odziv napona emisije za oko 6dB, a čelik smanjuje odziv napona emisije za oko 12dB.

 

3. Zaključak

Gledajući stogodišnju povijest razvoja tehnologije pretvornika, od rođenja prvog piezoelektričnog pretvornika do snažnog razvoja moderne tehnologije pretvornika, često su se pojavljivale tehnološke inovacije u podvodnim akustičnim pretvornicima. Glavni ciljevi inovacije i razvoja tehnologije pretvarača uključuju: pojednostavljenje složenih procesa, probijanje tehničkih uskih grla, ponovno pisanje tehničkih ograničenja, poboljšanje sveobuhvatnih tehničkih performansi, predlaganje novih koncepata i novih mehanizama, generiranje i razvoj novih tehničkih smjerova, te produbljivanje i usavršavanje teorije Sustava disciplina pretvarača i tako dalje. Ovaj članak predstavlja neke slučajeve istraživanja koji odražavaju inovativni dizajn i vrhunsku izradu sonde s aspekta primjene novog materijala, nove strukture i tehnologije sonde itd.