Transduser Akustik Bawah Air Tipe Baru dan Teknologi Transduser Baru

Gelombang akustik merupakan satu-satunya pembawa yang dimiliki manusia yang dapat mengirimkan informasi dan energi jarak jauh di lautan luas. Di darat, manusia menggunakan gelombang elektromagnetik untuk mengembangkan radar. Demikian pula, manusia menggunakan gelombang akustik sebagai pembawa informasi untuk mengembangkan target bawah air untuk deteksi, dan peralatan elektronik untuk penentuan posisi, identifikasi, dan komunikasi-sonar. Menghadapi lautan luas, sonar memikul misi penting yang menjangkau seluruh penjuru lautan luas, mengidentifikasi berbagai hal di dalamnya, yang memberi tahu orang-orang tentang wajah sebenarnya dari dunia bawah laut, dan membantu orang dalam menjelajahi misteri lautan, untuk menjadi navigasi komunikasi bawah air, perikanan akuatik, pengembangan sumber daya kelautan, geologi kelautan dan eksplorasi geomorfologi, Alasan mengapa gelombang suara menjadi pembawa informasi bawah air terbaik adalah karena dalam media air, gelombang suara memiliki koefisien atenuasi yang paling kecil dibandingkan dengan medan fisik lain seperti gelombang elektromagnetik, dan dapat ditransmisikan dalam waktu yang lama. jarak. Keunggulan inilah yang menjadikan sonar dengan menggunakan gelombang ultrasonik untuk mengamati bawah air sejak awal. Tujuannya dimulai dan terus berkembang. Saat ini, pita frekuensi kerja sonar telah diperluas ke rentang yang luas. Sonar aktif telah diperluas dari puluhan Hz menjadi puluhan MHz, dan ujung frekuensi rendah dari sonar pasif telah diperluas hingga jangkauan infrasonik. Dalam pita frekuensi yang begitu luas, menurut peraturan, perangkat penting yang merangsang dan menghasilkan gelombang suara dalam bentuk sinyal dan indera serta menerima gelombang suara di dalam air tanpa distorsi disebut transduser sonar atau susunan sonar. Perangkat ini adalah peralatan front-end sistem sonar, serta 'jendela' bagi sistem sonar untuk berinteraksi dengan media air dan bertukar informasi, dan merupakan 'pewujud' fungsi sistem sonar, untuk transduser sonar atau susunan sonar, Ini dengan jelas disebut sebagai 'mata dan telinga' dari sistem sonar. Dengan perluasan terus-menerus bidang penerapan teknologi sonar dan permintaan yang terus meningkat untuk konfrontasi dan pertempuran militer, prinsip-prinsip baru, teknologi baru, dan peralatan sonar baru bermunculan satu demi satu, satu demi satu. Persyaratan pengembangan teknologi sonar baru telah mendorong perkembangan pesat teknologi transduser, dan terobosan teknologi yang sama di bidang transduser serta pengembangan material baru, mekanisme baru, dan struktur baru. transduser akustik bawah air juga membuat sistem sonar menjadi 'menyegarkan'. Berikut gambaran singkat mengenai status perkembangan teknologi transduser beberapa tahun terakhir berdasarkan informasi yang penulis miliki dan tingkat pemahaman yang terbatas. Ini terutama mencakup transduser hidroakustik material baru, struktur baru dan transduser hidroakustik mekanisme baru, hidrofon jenis baru, teknologi transduser broadband dan sebagainya.

 

2 Transduser akustik bawah air material baru

 

Transduser adalah perangkat yang mewujudkan konversi energi dalam sistem sonar. Di dalam transduser terdapat bahan khusus yang memiliki kemampuan untuk mengubah energi. Bahan ini disebut bahan fungsional. Bahan fungsional yang digunakan untuk membuat transduser terutama mencakup bahan piezoelektrik (seperti kristal piezoelektrik, keramik piezoelektrik, polimer piezoelektrik, dll.) dan bahan magnetostriktif (seperti nikel, kobalt, paduan besi-nikel, ferit, paduan besi tanah jarang, dll.) Dll), mereka menggunakan efek piezoelektrik dan efek magnetostriktif untuk mewujudkan konversi timbal balik antara energi medan listrik atau energi medan magnet dan energi mekanik. Terobosan teknologi transduser pada dasarnya ditentukan oleh terobosan teknologi material fungsional. Dalam beberapa tahun terakhir, berbagai pencapaian teknis di bidang material fungsional juga membawa awal bagi perkembangan teknologi transduser. Dokter menemukan bahwa bahan tanah jarang lantanida memiliki sifat magnetostriktif yang luar biasa, namun bahan tersebut belum digunakan dalam praktik karena titik curie lebih rendah dari suhu ruangan. Belakangan, ditemukan bahwa paduan biner, terner, atau kuaterner yang terdiri dari unsur tanah jarang dan besi juga memiliki sifat magnetostriktif raksasa pada suhu kamar. Paduan tanah jarang yang paling representatif adalah Terfenol-D (komposisinya adalah Tb0.27Dy0.73Fe1). 95), ini telah menjadi jenis bahan fungsional baru yang menarik banyak perhatian sejak tahun 1980an. Relaksasi feroelektrik kristal tunggal timbal magnesium niobate-timbal titanat (PMN-PT) dan timbal seng niobate-timbal titanat (disebut sebagai PZN-PT) adalah jenis baru dari bahan kristal perovskit komposit, dan mereka juga sedang mengembangkan kelas bahan fungsional baru dengan prospek aplikasi yang bagus. Sebelumnya, nikel biasa digunakan sebagai bahan transduser. Pada tahun 1917, ilmuwan Perancis Langevin membuat transduser sonar dengan kristal kuarsa, menjadi preseden untuk penerapan bahan piezoelektrik dalam sonar. Pada tahun 1940-an, keramik BaTiO3 pzt dengan sifat piezoelektrik yang kuat berhasil dikembangkan dan banyak digunakan dalam sistem sonar. Keramik piezoelektrik PZT yang dikembangkan pada tahun 1950an memiliki rentang suhu pengoperasian yang luas dan sifat elektromekanis yang sangat baik. Efisiensi konversi menutupi kekurangan keramik Ba TiO3 dan pernah menjadi bahan pilihan untuk transduser akustik bawah air. Diantaranya, material keramik piezoelektrik dengan kepadatan energi tinggi adalah PZT-8. Perbandingan sederhana bahan-bahan di atas: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT dapat menghasilkan regangan sekitar 5 kali lipat dari PZT-8 dan 50 kali lipat dari nikel; konstanta piezoelektrik PMN-PT dan PZN-PT adalah d33. Ini 6-8 kali lipat dari material PZT-8. Penggunaan bahan pzt ini untuk mengembangkan transduser akustik bawah air baru adalah salah satu topik hangat saat ini.

 

Bahan magnetostriktif dari transduser akustik bawah air silinder jarang terjadi, dimana bahan magnetostriktif raksasa bumi menggunakan efek magnetostriktif untuk mewujudkan konversi timbal balik antara energi medan magnet dan energi mekanik, dan terutama digunakan untuk mengembangkan transduser emisi akustik bawah air frekuensi rendah dan berdaya tinggi. Ini adalah semacam struktur 'kompleks' dari transduser hidroakustik magnetostriktif super konduksi suhu tinggi transduser. Dilihat dari struktur transduser, strukturnya sangat sederhana. Ini adalah transduser longitudinal dual-radiator biasa. Yang disebut “kompleks” di sini mengacu pada konotasi fisiknya yang kaya. Kekuatan magnetostriktif bahan paduan tanah jarang pada suhu rendah lebih besar dibandingkan pada suhu kamar. Misalnya regangan magnetostriktif maksimum Tb0.6Dy0.4 pada suhu 77K adalah 0,65%, sedangkan Terfenol-D pada suhu kamar. Regangan magnetostriktif tertinggi sebesar 0,25%. Mengembangkan transduser hidroakustik magnetostriktif bahan Tb0.6Dy0.4 dengan kisaran suhu 50-60K: bahan berbentuk batang paduan tanah jarang ditempatkan di ruang AC, dan menara pendingin lemari es didinginkan secara siklis, dan ruang AC disediakan oleh koil bahan superkonduktor. Medan magnet bias dan medan magnet eksitasi menggairahkan batang magnetostriktif untuk menghasilkan getaran regangan, yang ditransmisikan ke permukaan radiasi tipe piston melalui bagian transisi mekanis, dan permukaan radiasi tipe piston mendorong media air untuk menghasilkan radiasi gelombang tekanan. Ruang vakum dirancang dalam struktur untuk mengisolasi konduksi panas. Dinding luar ruang vakum berupa penutup tahan tekanan berbentuk kubah yang mampu menahan tekanan 10 atmosfer. Parameter teknis utama adalah sebagai berikut: frekuensi resonansi 430 Hz, tingkat sumber suara maksimum 181.4db, efisiensi sekitar 25%. Proses pembuatan transduser jenis ini rumit. Dalam beberapa tahun terakhir, masyarakat masih bersedia menggunakan bahan terfenol-D yang bekerja pada suhu kamar, meninggalkan beberapa regangan magnetostriktif, dan menggantinya dengan struktur baru untuk mencapai kinerja radiasi yang sangat baik. Berikut ini adalah pengenalan singkat kemajuan penelitian beberapa bahan magnetostriktif struktural pada transduser akustik bawah air. Transduser longitudinal memiliki struktur sederhana. Batang magnetostriktif digabungkan dengan massa kepala dan ekor yang memancar ke depan untuk membentuk sistem getaran satu dimensi yang serupa. Kepala radiasi bagian depan umumnya terbuat dari bahan ringan, dan massa ekor umumnya terbuat dari bahan padat untuk mencapai permukaan radiasi. Menghasilkan perpindahan getaran yang lebih besar. Dua transduser longitudinal yang dikembangkan dengan bahan Terfenol-D diperkenalkan. Salah satunya adalah transduser longitudinal umum dengan frekuensi resonansi 1200 Hz, kekuatan suara 3 kW, dan berat transduser 60 kg; yang lainnya adalah batang tanah jarang di kedua ujungnya. Dirancang sebagai transduser longitudinal memancar ujung ganda berbentuk tanduk, frekuensi resonansi 400 Hz, kekuatan suara 1,5 kW, dan berat transduser hingga 100 kg. Transduser berbentuk cincin: poligon beraturan yang dikelilingi oleh sejumlah batang tanah jarang, dan serangkaian permukaan busur melingkar dirangsang oleh bagian transisi untuk menghasilkan getaran radial guna menghasilkan radiasi akustik berdaya tinggi. Serangkaian transduser toroidal frekuensi rendah daya tinggi tanah jarang telah dikembangkan termasuk transduser dengan frekuensi resonansi 200 Hz (diameter dalam 0,56m, diameter luar 0,94m, tinggi 0,37m, tingkat sumber suara 193dB, berat 410kg) Dan transduser dengan frekuensi resonansi 30 Hz (diameter 2m, tinggi 1,1m, tingkat sumber suara 195dB, berat 5t). Transduser fleksibel adalah sejenis transduser yang menggunakan getaran longitudinal tumpukan keramik piezoelektrik atau batang magnetostriktif untuk merangsang permukaan radiasi cangkang (atau balok barel) dengan efek amplitudo amplitudo untuk getaran lentur. Beberapa transduser yang umum digunakan tercantum Jenis transduser fleksibel, diantaranya I, II, dan III memiliki karakteristik yang sama. Batang getar memanjang menggairahkan cangkang melengkung simetris rotasi. Cangkang dapat berupa struktur kontinu atau struktur yang dipotong menjadi sekelompok balok. Purcell menggunakan bahan Terfenol-D untuk mengembangkan transduser tegangan lentur berkas barel cekung (tipe III), dengan frekuensi resonansi 1300 Hz, tingkat sumber suara 188,7 dB, dan bandwidth 600 Hz. Karena penggunaan sirkuit magnet terbuka batang tunggal, frekuensi resonansinya adalah Efisiensi elektroakustik AC maksimum hanya 7%, dan berat transduser adalah 2,7kg. Transduser flextensional bibir ikan memiliki karakteristik yang sama. Transduser digerakkan oleh batang getar memanjang untuk melenturkan cangkang elips cembung atau cekung untuk menghasilkan radiasi daya tinggi. Transduser flextensional bibir ikan mengadopsi efek amplifikasi amplitudo. Efek pembobotan dengan luas meningkatkan kekuatan radiasi suara. Dilaporkan jenis baru transduser akustik bawah air berdaya tinggi frekuensi rendah ini, termasuk frekuensi resonansi 210Hz, 450Hz, 800Hz dan 1200Hz, hasil penelitian transduser jenis baru ini saat ini digunakan dalam susunan sonar aktif frekuensi rendah, sistem akustik akustik seperti sumber suara target dan simulator kebisingan.

 

Relaksasi bahan feroelektrik transduser akustik bawah air

 

Bahan feroelektrik relaksor merupakan salah satu bahan fungsional potensial, yang dapat dibagi menjadi jenis keramik elektrostriktif dan jenis kristal tunggal feroelektrik relaksor. Proses pembuatan kristal tunggal feroelektrik relaksor jauh lebih rumit dibandingkan dengan bahan keramik elektrostriktif. Para peneliti telah menggunakan bahan-bahan ini untuk membuat berbagai jenis transduser, seperti transduser lentur, transduser longitudinal dan sebagainya. Teknologi pembuatan transduser bahan jenis ini lebih rumit, sehingga perlu menambahkan medan listrik bias DC, menerapkan pratekan, dan mengontrol suhu proses. Penggunaan keramik elektrostriktif PMN-PT-BT (timbal magnesium niobate-timbal titanat-barium titanat) mengembangkan transduser fleksibel tipe IV. Hasil penelitian menunjukkan bahwa transduser yang dikembangkan belum memaksimalkan potensi materialnya. Pekerjaan ini masih akan menjadi salah satu hot spot yang perlu dieksplorasi di bidang transduser akustik bawah air untuk jangka waktu tertentu. Menggunakan bahan kristal tunggal feroelektrik relaksor PMN-PT untuk mempelajari 64 saluran probe ultrasound 3,5MHz, yang digunakan dalam peralatan pencitraan ultrasound warna B-ultrasound dan Doppler medis, menunjukkan bahwa bahan kristal tunggal feroelektrik relaksor dalam sonar gambar frekuensi tinggi.

 

Film polimer piezoelektrik dari transduser akustik bawah air berbentuk bola dapat dibuat menjadi membran fleksibel, dan transduser dapat dirancang menjadi bentuk apa pun saat membuat transduser, dan impedansi akustik bahannya rendah, dan mudah untuk mencapai impedansi dengan air dan media fluida lainnya serta jaringan biologis. Pencocokan, sering digunakan untuk membuat hidrofon standar frekuensi tinggi, transduser frekuensi tinggi, transduser ultrasonik medis, susunan konformal dan susunan transduser komposit yang terdiversifikasi, Polimer piezoelektrik yang umum digunakan untuk membuat transduser terutama adalah polivinilidena fluorida (PVDF). Saat ini, film bahan polimer piezoelektrik yang lebih menarik EMFi (singkatan dari elektro mekanikfil), adalah sejenis film fleksibel busa polipropilen, konstanta piezoelektriknya sekitar 10 kali lipat dari PVDF, yang dapat digunakan untuk membuat transduser sensitivitas tinggi. Struktur transduser film tipis EMFi memiliki diameter permukaan penerima 35mm, dan sensitivitas penerimaan transduser lebih besar dari -190dB (nilai referensi adalah 1V/μPa). Transduser jenis ini juga dapat digunakan di udara untuk menerima atau memancarkan gelombang suara.

 

Pengenalan struktur baru transduser akustik bawah air dan berbagai mekanisme transduksi. Bahan fungsional penting dalam transduser, namun harus dimainkan dengan struktur yang sesuai. Oleh karena itu, desain struktural transduser tampaknya menjadi hal yang sangat penting dalam pengembangan teknologi transduser. penting. Menurut bidang aplikasi yang berbeda dan berbagai persyaratan teknis, atau sesuai dengan karakteristik mekanisme transduksi dan bahan fungsional yang berbeda, berbagai jenis transduser telah keluar satu demi satu, banyak di antaranya menggabungkan teknologi multi-disiplin untuk bersama-sama membuat terobosan baru. Kesulitan teknis untuk memenuhi beberapa persyaratan teknis khusus. Transduser hidroakustik magnetostriktif superkonduktor suhu tinggi adalah contoh tipikal. Dalam isi artikel ini di atas dan jenis transduser yang akan diperkenalkan nanti, banyak juga yang merupakan struktur baru dan mekanisme baru transduser akustik bawah air. Agar tidak terulang kembali, bagian ini hanya mengutip dua contoh desain struktur baru lainnya.

 

Transduser tipe simbal (simbal) adalah jenis transduser struktur baru yang mirip dengan transduser fleksibel. Setiap transduser tipe simbal terdiri dari sepasang cakram keramik piezoelektrik PZT dan satu tutup logam yang diikat menjadi satu. Cakram keramik piezoelektrik PZT menerapkan tegangan bolak-balik untuk menghasilkan getaran radial guna merangsang tutup logam untuk getaran lentur, dan tutup logam transduser yang terangkat menghasilkan getaran bolak-balik 'penyusutan-ekspansi'. Gelombang suara radiasi. Ketika gelombang tekanan bolak-balik yang sama bekerja pada tutup logam, tekanan tersebut akan disalurkan ke piringan keramik piezoelektrik PZT, dan tegangan bolak-balik dikeluarkan pada dua kutub piringan keramik, yang digunakan sebagai transduser penerima. Frekuensi resonansi transduser tipe simbal di dalam air adalah 16,1kHz, dan respons tegangan emisi adalah 130dB (nilai referensi adalah 1μPa/V, pada 1m). Gambar 5 juga menunjukkan foto matriks 9 elemen yang tersusun dari transduser jenis ini. . Pada transduser piezoelektrik frekuensi rendah tipe pegas koil, keramik piezoelektrik diolah menjadi bentuk pegas koil (seperti ditunjukkan pada Gambar 6),transduser keramik piezoelektrik dipolarisasi dalam arah tangensial, dan kemudian pasangan elektroda eksitasi dibuat. Bagian netral tanpa elektroda di tengahnya dipisahkan untuk membentuk pasangan elektroda cincin luar 1 dan pasangan elektroda cincin dalam 2 (lihat diagram skematik yang diperbesar dari sebuah fragmen kecil pada Gambar 6). Dengan cara ini, tegangan eksitasi V diterapkan pada pasangan elektroda, bagian keramik piezoelektrik yang dikendalikan oleh pasangan elektroda cincin luar dan pasangan elektroda cincin dalam akan menghasilkan getaran yang berlawanan (perpanjangan atau kontraksi), dan gerakan muai dan kontraksi sistem pegas akan menggerakkan permukaan kerja piston untuk menggetarkan energi suara. Karena kekakuan struktur ini yang rendah, ia memiliki frekuensi resonansi yang rendah dan dapat digunakan sebagai transduser transmisi frekuensi rendah. Ketika digunakan sebagai penerima, ia juga memiliki sensitivitas tinggi pada pita frekuensi rendah. Dimulai dari persamaan piezoelektrik, hubungan konversi elektromekanis dari jenis transduser ini diperoleh, dan beberapa penelitian eksplorasi telah dilakukan.

 

Pengenalan berbagai mekanisme konversi energi pada transduser akustik bawah air Dari perspektif konversi energi, transduser dapat dibagi menjadi transduser piezoelektrik yang menggunakan efek piezoelektrik untuk mencapai konversi energi dan magnet yang menggunakan efek magnetostriktif untuk mencapai konversi energi. Transduser yang dapat ditarik, transduser yang terlibat dalam konten di atas termasuk dalam dua jenis ini.