Kemajuan Penelitian dan Peluang Pengembangan Teknologi Transduser Akustik Bawah Air

Gelombang akustik dianggap sebagai satu-satunya pembawa informasi yang mampu menempuh jarak jauh di lautan. Penelitian kelautan, pengembangan sumber daya, dan perjuangan militer maritim semuanya tidak dapat dipisahkan dari teknologi akustik bawah air. Perkembangan teknologi hidroakustik memerlukan berbagai jenis transduser hidroakustik untuk memberikan dukungan, dan misi transduser hidroakustik adalah memancarkan dan menerima gelombang suara di bawah air, sehingga transduser hidroakustik dikenal sebagai 'mata dan telinga peralatan hidroakustik. Perkembangan transduser hidroakustik terutama mencakup penerapan material baru, penerapan proses baru, dan desain struktur baru untuk mencapai peningkatan dan peningkatan kinerja teknis komprehensif dari transduser.Permintaan mendesak dari bidang teknologi hidroakustik adalah pengembangan langsung tenaga transduser hidroakustik. Artikel ini berfokus pada hasil penelitian dalam negeri tentang transduser akustik bawah air dalam 20 tahun terakhir, terutama mencakup perkembangan baru dalam transduser frekuensi rendah, transduser broadband frekuensi tinggi, transduser perairan dalam, dan hidrofon vektor peluang yang dihadapi oleh teknologi transduser akustik bawah air saat ini.

 

Itu transduser akustik bawah air adalah jenis sensor yang mewujudkan konversi suara dan bentuk energi atau informasi lainnya dalam media air; transduser akustik bawah air adalah peralatan front-end sistem sonar, dan juga merupakan interaksi antara sistem sonar dan media air untuk bertukar informasi. jendela'. Bidang penelitian dan pengembangan teknologi transduser akustik bawah air melibatkan integrasi berbagai disiplin ilmu, dan disiplin ilmu yang terkait erat terutama meliputi: fisika, ilmu material, matematika, mekanika, elektronik, kimia, mekanika, dll., sehingga pengembangan transduser akustik bawah air Hal ini terkait erat dengan pencapaian disiplin ilmu dasar lainnya, dan pada saat yang sama dibatasi oleh pengembangan berbagai disiplin ilmu terkait. Dilihat dari sejarah perkembangan transduser hidroakustik negara saya selama puluhan tahun, motivasi pengembangan terbesar datang dari persyaratan penerapan di bidang teknologi hidroakustik, namun hingga akhir abad ke-20, perkembangan teknologi transduser hidroakustik negara saya kurang bersifat menyeluruh dan sistematis.

 

1.1 Kemajuan penelitian transduser frekuensi rendah

Menanggapi kebutuhan mendesak akan transmisi informasi bawah air jarak sangat jauh dan pengembangan deteksi kapal selam ultra-siluman, transduser transmisi frekuensi rendah telah menjadi salah satu hotspot yang paling memprihatinkan di bidang transduser akustik bawah air sejak abad ke-21. Pita frekuensi kerja sonar deteksi dan komunikasi jarak jauh asing telah dikurangi menjadi sekitar 100 Hz. Transduser frekuensi rendah melibatkan banyak masalah teoretis dan teknis, yang saat ini belum terpecahkan dengan baik, dan aspek ini masih akan menjadi fokus penelitian dan fokus perhatian dalam pengembangan di masa depan. Bagian ini memilih karya penelitian transduser frekuensi rendah getaran lentur dan transduser tegangan lentur, dan merangkum pencapaian teknologi baru.

 

1.1.1 Transduser frekuensi rendah getaran lentur

Masalah teknis pertama yang dihadapi oleh pengembangan transduser bawah air frekuensi rendah adalah ukuran geometrisnya. Umumnya frekuensi kerja transduser resonansi berbanding terbalik dengan ukuran geometriknya. Artinya, semakin rendah frekuensi transduser, semakin besar ukuran geometrinya. Getaran secara efektif dapat mengurangi ukuran geometris transduser frekuensi rendah. Desain baru transduser getaran lentur frekuensi rendah di Tiongkok dalam 20 tahun terakhir terutama mencakup transduser sinar melengkung dan transduser cakram melengkung.

 

(1) Transduser sinar lentur. Rancang transduser pemancar broadband sinar kantilever berbentuk silinder (Gambar 1a). Desain struktur menggabungkan karakteristik frekuensi modal getaran lentur rendah dan metode kopling getaran multi-modal untuk memperluas pita frekuensi. Chai Yong dkk. Diusulkan transduser cincin kopling tabung-balok (Gambar 1b). Dengan menambahkan sinar melengkung ke transduser berbentuk cincin bertatahkan untuk membentuk struktur kopling tabung-balok, mode kerja efektif ditingkatkan. Gunakan kopling multi-mode untuk mencapai karakteristik pengoperasian frekuensi rendah dan pita lebar. Struktur luapan diadopsi, dan kemampuannya menahan tekanan hidrostatik telah diverifikasi melalui penerapan standar kapal selam laut dalam sedalam 3.000 m. Xu dkk. mengusulkan dua skema desain untuk transduser frekuensi rendah berbentuk silinder (Gambar 1c dan d), melakukan serangkaian simulasi, dan memberikan kurva respons emisi yang didorong oleh bahan magnetostriktif baru Terfenol-D dan Galfenol. Ini menunjukkan potensi struktur transduser untuk aplikasi frekuensi sangat rendah.

Gambar 1 Desain baru transduser frekuensi rendah untuk balok melengkung (a), 0 adalah balok tetap, dan 1-5 adalah balok silinder dengan ketebalan berbeda

(3) Transduser disk bengkok. Transduser cakram melengkung mencakup struktur tiga tumpukan, tumpukan ganda, dan seterusnya. Gambar 2a menunjukkan transduser cakram melengkung kompak yang terdiri dari sepasang laminasi ganda. Pekerjaan penelitian asing relatif matang. Telah dilakukan penelitian mendalam terhadap struktur dasar transduser cakram lengkung ini. Bermula dari struktur dasar ini, dengan mendesain ruang cairan dan menyempurnakan mode berkendara, beberapa desain baru telah dihasilkan]. Gambar 2b adalah transduser cakram melengkung yang digerakkan oleh cincin mosaik. Desain Gambar 2c menggunakan transduser disk melengkung dengan ukuran berbeda untuk membentuk matriks, dan menggunakan metode penggerak berbeda untuk mencapai operasi broadband. Gambar 2d adalah transduser cakram melengkung dengan struktur rongga luapan. Ukuran rongga cairan disesuaikan secara tepat dalam desain untuk memenuhi persyaratan kinerja akustik. Ini adalah transduser cakram melengkung yang digerakkan oleh galfenol, yang menggunakan struktur yang mirip dengan transduser memanjang untuk merangsang getaran lentur bagian depan yang memancar. 

Gambar 2 Desain baru transduser frekuensi rendah dengan cakram melengkung

1.1.2 Transduser fleksibel

Konsep transduser fleksibel dimulai dari paten Hayes pada tahun 1936. Mode kerja dasarnya adalah satu atau lebih vibrator teleskopik menggerakkan cangkang getaran lentur untuk menghasilkan radiasi suara frekuensi rendah. Penelitian dan penerapan transduser fleksibel di negara saya telah aktif sejak akhir abad ke-20. Para peneliti telah merancang transduser fleksibel dengan berbagai struktur. Menurut struktur dan metode eksitasinya, transduser fleksibel dibagi menjadi tiga kategori. Metode klasifikasi ini digunakan di sini untuk memperkenalkan secara terpisah.

 

(2) Transduser tegangan lentur dengan struktur silinder. Transduser jenis ini digerakkan oleh vibrator teleskopik memanjang untuk menerjemahkan cangkang getaran lentur. Cangkang getar transduser adalah struktur translasi, yaitu cangkang silinder dengan berbagai bentuk, yang digerakkan oleh satu atau lebih vibrator teleskopik memanjang. Termasuk transduser flextensional tipe IV dan struktur deformasinya, transduser flextensional tipe VII, transduser flextensional segi empat, dll. Gambar 3a adalah struktur transduser flextensional tipe IV yang khas. Transduser fleksibel tipe IV yang digerakkan oleh bahan PMNT kristal tunggal feroelektrik relaxor telah dikembangkan. Transduser fleksibel tipe IV yang digerakkan oleh bahan magnetostriktif raksasa tanah jarang Terfenol-D dikembangkan. Gambar 3b adalah desain baru transduser fleksibel tipe VII, yang digerakkan oleh bahan magnetostriktif raksasa tanah jarang Terfenol-D. Metode eksitasi dirancang pada bagian terluas dari dimensi transversal, dan sepasang vibrator paralel dirancang untuk memberikan gambaran mendalam tentang transduser jenis ini. Rangkaian penelitian meliputi analisis desain pratekan, pemodelan teoritis, analisis modal, penelitian eksperimental, dll. Gambar 3c merupakan penyempurnaan desain baru transduser fleksibel tipe IV, serupa dengan penyempurnaan desain transduser fleksibel tipe I ke transduser fleksibel tipe II, menggunakan struktur cangkang elips dengan sumbu panjang memanjang, transduser Digerakkan oleh bahan kristal tunggal feroelektrik relaksan PMNT, yang memiliki karakteristik operasi broadband lebih baik daripada tipe IV umum transduser fleksibel. Gambar 3d adalah desain baru paling awal untuk meningkatkan transduser fleksibel tipe IV di Tiongkok - transduser fleksibel tipe bibir ikan, yang menggunakan cangkang elips dengan ketinggian bervariasi dan menggunakan penggerak Terfenol-D bahan super magnetostriktif tanah jarang, cangkang getar berbentuk khusus ini memiliki efek lengan tuas dan efek amplifikasi ganda berbobot tinggi. Saat ini, transduser fleksibel bibir ikan Terfenol-D telah diserialkan dan dirancang menjadi struktur cangkang ganda untuk lebih meningkatkan daya transmisi. Kekuatan suara maksimum dari satu transduser dapat mencapai 10.000 watt, menjadikannya transduser transmisi daya tinggi frekuensi rendah domestik Salah satu tipe dasar. Gambar 3e adalah transduser fleksibel segi empat eksitasi ortogonal, yang mengadopsi peningkatan desain kompak, yang dapat menambahkan lebih banyak bahan fungsional dalam volume terbatas dan meningkatkan tingkat sumber emisi suara. Gambar 3f adalah peningkatan desain baru lainnya dari transduser fleksibel tipe IV, mirip dengan peningkatan desain transduser fleksibel tipe I ke transduser fleksibel tipe III, yang menggunakan dua cangkang elips secara seri sepanjang arah sumbu panjang. Secara keseluruhan, tumpukan piezoelektrik yang lebih panjang digunakan untuk menggairahkan, sehingga frekuensi resonansi vibrator longitudinal berkurang dan mendekati mode frekuensi dasar cangkang lentur, yang kondusif untuk kopling modal untuk mencapai karakteristik operasi broadband. Gambar 3g adalah desain baru yang disempurnakan untuk vibrator eksitasi transduser fleksibel tipe IV. Ini adalah transduser fleksibel tipe IV yang digerakkan oleh vibrator lipat. Struktur ini dikombinasikan dengan material rumah dengan kekakuan rendah dapat secara efektif mengurangi frekuensi resonansi.

Gambar 3 Transduser tegangan lentur dengan struktur kolom

Ia juga dikenal sebagai transduser fleksibel tipe labu. Telah dipelajari transduser fleksibel tipe labu yang digerakkan oleh PZT dan PZT+Terfenol-D. , Analisis simulasi parameter karakteristik emisi eksitasi sambungan dilakukan. Gambar 4c adalah transduser tegangan fleksibel tabung cekung yang dieksitasi oleh kombinasi magnetostriksi-piezoelektrik. Dalam desainnya, dua elemen eksitasi, Terfenol-D dan PZT, digunakan untuk membentuk vibrator longitudinal komposit. Gambar 4d menunjukkan transduser fleksibel silinder cekung. Transduser ini tereksitasi oleh tumpukan multi-piezoelektrik. Dengan asumsi bahwa cangkang tetap tidak berubah dan volume total bahan keramik piezoelektrik adalah sama, analisis angka yang berbeda (1-4) penggerak tumpukan piezoelektrik Untuk dampak pada kinerja transduser, transduser tegangan lentur tabung cekung yang dieksitasi oleh tumpukan piezoelektrik rangkap tiga dirancang dan dikembangkan.

Gambar 4 Transduser tegangan lentur badan berputar tipe panjang

Transduser tegangan lentur badan berputar tipe datar. Transduser jenis ini digerakkan oleh vibrator yang mengembang secara radial untuk menggerakkan cangkang getaran lentur yang simetris secara rotasi. Cangkang getar transduser adalah struktur simetris rotasi, umumnya sepasang tutup bola cembung atau cekung (atau tutup bola) atau Terdiri dari cakram, dll., digerakkan oleh cincin atau vibrator cakram yang mengembang secara radial, termasuk transduser tegangan fleksibel berbentuk V, transduser tegangan fleksibel berbentuk VI, transduser tegangan fleksibel berbentuk cakram, dll., diperkenalkan di sini Flextensional tipe V ukuran kecil transduser-transduser fleksibel tipe simbal dan cakram. Gambar 5a adalah transduser fleksibel berbentuk V berukuran kecil. Sepasang penutup ujung logam digerakkan oleh cakram keramik piezoelektrik yang bergetar secara radial untuk menghasilkan getaran lentur; Gambar 5b adalah transduser fleksibel berbentuk cakram, yang menggunakan PZT- dalam desainnya. 4 Cincin keramik piezoelektrik terpolarisasi radial menggerakkan cakram melengkung. Disk dibagi menjadi 16 sektor yang sama sepanjang celah radial untuk mengurangi kopling getaran lateral. Transduser fleksibel dari kedua bentuk struktur ini memiliki karakteristik frekuensi resonansi rendah, ukuran geometris kecil, dan efisiensi elektroakustik yang tinggi.

Gambar 5 Transduser tegangan lentur badan berputar tipe datar

1.2 Kemajuan penelitian transduser broadband frekuensi tinggi

Selain jarak deteksi sebagai indikator penting peralatan akustik bawah air, arah pengembangan lainnya adalah untuk mendapatkan informasi target sebanyak-banyaknya sebagai tujuan utama. Misalnya, sonar gambar resolusi tinggi, komunikasi akustik bawah air dengan kecepatan data tinggi, dll. Memerlukan pengoperasian mode frekuensi tinggi, dan pita frekuensi kerja selebar mungkin. Oleh karena itu, transduser akustik bawah air broadband frekuensi tinggi telah menjadi komponen kunci dari sistem, mirip dengan optik. Lensa sistem pencitraannya sama.

 

Gambar 6a adalah a transduser broadband frekuensi tinggi dengan kolom keramik piezoelektrik dan lapisan yang cocok. Rasio jarak keramik piezoelektrik terhadap ukuran keramik dan pengaruh bahan pengisi terhadap bandwidth dipelajari. Transduser broadband frekuensi tinggi lapisan pencocokan ganda yang dirancang pada Gambar 6b ​​menggunakan kolom keramik piezoelektrik untuk membentuk susunan, dan kemudian menambahkan struktur lapisan pencocokan ganda dari lapisan logam dan material komposit resin untuk mencapai kinerja emisi akustik broadband frekuensi tinggi. Gambar 6c menunjukkan transduser broadband frekuensi tinggi komposit piezoelektrik 1-1-3 yang dirancang, yang terdiri dari pilar piezoelektrik terhubung 1 dimensi dan pilar logam terhubung 1 dimensi yang disusun secara paralel dalam matriks polimer terhubung 3 dimensi. Bahan komposit piezoelektrik tiga fase terbentuk, dan transduser transmisi broadband frekuensi tinggi telah dikembangkan. Gambar 6d menunjukkan transduser broadband frekuensi tinggi komposit piezoelektrik 1-3 yang dirancang, yang menggunakan efek kopling dari mode getaran ketebalan dan mode getaran melintang orde pertama untuk mewujudkan karakteristik operasi broadband. Gambar 6e menunjukkan transduser broadband frekuensi tinggi cincin komposit piezoelektrik yang dirancang. Cincin komposit piezoelektrik diperoleh dengan memotong cincin keramik piezoelektrik secara radial dan menuangkan resin epoksi. Kemudian diperoleh dua cincin komposit piezoelektrik dengan ketebalan dinding berbeda. Cincin komposit ditumpangkan untuk membentuk transduser resonansi ganda yang memancar secara radial.

 

Gambar 6 Transduser broadband frekuensi tinggi