Inovasi Teknologi dalam Pengembangan Transduser Akustik Bawah Air(1)

Inovasi Teknologi dalam Pengembangan Transduser Akustik Bawah Air

 

 

70,8% luas permukaan bumi adalah lautan. Lautan luas adalah gudang sumber daya terbesar di bumi, dan lautan juga merupakan posisi penting bagi perjuangan militer internasional. Penelitian, pengembangan dan pemanfaatan laut tidak terlepas dari gelombang suara. Gelombang suara merupakan satu-satunya pembawa informasi yang mampu menempuh jarak jauh di lautan. Eksplorasi dan pengembangan sumber daya kelautan, transduser komunikasi bawah air dan navigasi kapal, deteksi dan pengenalan target bawah air, pemantauan lingkungan, dan prakiraan bencana alam dan sebagainya semuanya bergantung pada teknologi akustik bawah air untuk mencapainya. Perkembangan teknologi akustik bawah air memerlukan dukungan segala jenis transduser akustik bawah air. Misi transduser akustik bawah air adalah mengirimkan dan menerima gelombang suara di bawah air, sehingga disebut “mata dan telinga peralatan akustik bawah air”, yang dapat dikatakan sebagai transduser akustik bawah air. Kelahiran 'H' menandai dimulainya perkembangan teknologi hidroakustik. Kemajuan teknis transduser hidroakustik merupakan prasyarat dan landasan penting bagi pesatnya perkembangan teknologi hidroakustik(1)

 

Itu transduser akustik bawah air bukanlah subjek sederhana yang terisolasi, namun merupakan bidang teknis multi-disiplin. Mata pelajaran yang berkaitan erat terutama meliputi: fisika, ilmu material, matematika, mekanika, elektronik, kimia, ilmu mekanik, dll., jadi akustik bawah air Meskipun transduser hanya memiliki sejarah perkembangan lebih dari seratus tahun, kini ia telah menjadi bidang subjek yang dinamis. Kebutuhan mendesak dari bidang teknologi hidroakustik merupakan pendorong langsung bagi pengembangan transduser hidroakustik, dan perkembangan material fungsional serta kemajuan teknologi merupakan bahan dasar terpenting bagi pengembangan transduser hidroakustik. Sepanjang sejarah perkembangan transduser hidroakustik, untuk memenuhi persyaratan teknis yang terus meningkat di bidang hidroakustik, bahan fungsional terkait terus diperbarui. Orang-orang telah melakukan penelitian aplikasi khusus seputar karakteristik berbagai bahan fungsional dan merancang teknologi baru dan struktur baru telah diusulkan, yang telah meningkatkan dan meningkatkan kinerja teknis transduser secara komprehensif, yang memungkinkan aliran hasil penelitian inovatif yang tiada habisnya pada transduser. Penulis memilih beberapa contoh penelitian khas transduser peluncuran, menganalisis dan merangkum ide-ide inovatif dari penelitian ini dari beberapa sudut berbeda, dan berharap dapat memberikan bimbingan dan pencerahan tertentu kepada para sarjana muda, dan secara aktif mengeksplorasi aspek mendalam dari pekerjaan penelitian klasik.

 

1. Inovasi teknis transduser akustik bawah air berdasarkan bahan fungsional

 

Pada tahun 1915, Paul Langevin dari Perancis dan lainnya menggunakan pemancar kapasitor dan penerima partikel karbon untuk melakukan eksperimen akustik bawah air. Kedua perangkat pemancar dan penerima ini harus berupa transduser akustik bawah air primitif; 1917 ～ 1918 Langevin Zhiwan merancang dan meningkatkan transduser kuarsa. Penggetarnya terdiri dari beberapa pelat kuarsa piezoelektrik yang diapit di antara dua pelat baja tebal. Struktur ini disebut transduser Langzhiwan. Karena kuarsa alami tidak dapat memenuhi permintaan yang terus meningkat, ditemukan bahwa garam Rochelle kristal piezoelektrik sintetis yang larut dalam air memiliki efek piezoelektrik yang lebih kuat daripada kuarsa, tetapi masalah stabilitasnya membatasi ruang lingkup penerapannya, dan piezoelektriknya sedikit lebih rendah. Kristal Amonium Dihydrogen Phosphate (ADP), karena sifatnya yang relatif stabil, banyak digunakan dalam Perang Dunia II. Pada tahun 1920, efek magnetostriktif diterapkan pada transduser akustik bawah air; pada tahun 1925, transduser magnetostriktif nikel dirancang dan diterapkan; pada tahun 1931, studi mendalam tentang lembaran nikel tipis menyebabkan perkembangan pesat transduser magnetostriktif. Dan secara bertahap menggantikan transduser kristal piezoelektrik; pada tahun 1944, ditemukan bahwa keramik barium titanat memiliki piezoelektrik yang kuat setelah polarisasi, dan kehilangannya jauh lebih kecil dibandingkan bahan magnetostriktif. Belakangan, transduser keramik piezoelektrik barium titanat Ini telah berkembang pesat; keramik timbal zirkonat titanat (PZT) terpolarisasi yang ditemukan pada tahun 1954 memiliki piezoelektrik yang lebih kuat. Hingga saat ini, keramik piezoelektrik PZT masih menjadi bahan fungsional utama transduser akustik bawah air.

 

Pada tahun 1970-an, Dr. Clark AE di Amerika Serikat mengembangkan paduan terner magnetostriktif raksasa tanah jarang Terfenol-D. Sejak tahun 1990-an, bahan kristal tunggal feroelektrik relaksasi PZN-PT dan PMN dengan sifat listrik tegangan tinggi dan kepadatan energi tinggi -PT telah ditemukan satu demi satu, dan terobosan baru telah dilakukan dalam penelitian penerapan ketiga bahan tersebut. Bagian ini akan fokus pada hasil penelitian transduser material fungsional baru ini.

 

⒈Bahan magnetostriktif generasi baru dan transdusernya

Bahan magnetostriktif generasi baru mencakup bahan paduan tanah jarang dan bahan paduan logam langka. Efek magnetostriktif raksasa dari bahan paduan tanah jarang pertama kali ditemukan pada kondisi suhu rendah. Regangan magnetostriktif tertinggi bahan Tb0.6Dy0.4 pada suhu 77K sebesar 0,65%, dan regangan magnetostriktif tertinggi Terfenol-D pada suhu ruangan sebesar 0,25%. Ada dokumen yang menunjukkan bahwa transduser longitudinal piston ganda magnetostriktif yang digerakkan oleh kumparan superkonduktor telah dikembangkan. Batang magnetostriktif paduan tanah jarang (terbium-dysprosium) ditempatkan di ruangan ber-AC (suhu 50-60K), dan menara pendingin disirkulasikan dan didinginkan oleh menara pendingin lemari es. Di dalam ruangan, kumparan bahan superkonduktor menyediakan medan magnet bias DC dan medan magnet eksitasi untuk merangsang batang magnetostriktif guna menghasilkan getaran regangan dan mengirimkannya ke permukaan radiasi tipe piston melalui bagian transisi mekanis. Permukaan radiasi tipe piston mendorong media air untuk menghasilkan gelombang tekanan untuk radiasi. 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 430Hz, tingkat sumber suara maksimum 181,4dB, dan efisiensi sekitar 25%. Ini transduser hidrofon bawah air mempersulit proses pembuatan untuk mendapatkan kondisi kerja suhu rendah. Dalam beberapa tahun terakhir, orang-orang bersedia menggunakan bahan Terfenol-D yang bekerja pada suhu kamar untuk menyederhanakan proses pembuatan, sekaligus mencapai kinerja radiasi yang sangat baik dengan struktur baru.

 

Ini adalah transduser pemancar segi delapan yang digerakkan Terfenol-D yang diselesaikan oleh Butler sama dengan tahun 1980. 16 batang tanah jarang disusun dalam dua lapisan, dan 8 batang tanah jarang di setiap lapisan dihubungkan menjadi segi delapan melalui blok transisi berbentuk baji dan membentuk sirkuit Magnetik tertutup, blok transisi dihubungkan dengan permukaan radiasi bagian silinder (mendekati sudut pusat 45°), dan batang tanah jarang diberi pratekan melalui kabel tegangan berkekuatan tinggi di antaranya blok transisi. Pratekan internal batang tanah jarang adalah sekitar 13,8MPa, dan frekuensi resonansi transduser dalam air Pada 775Hz, penggerak non-linier dalam kondisi medan magnet bias DC dan kondisi medan tak bias dibandingkan, dan tingkat sumber suara masing-masing 189,8dB dalam kondisi medan magnet bias DC dan 196,2dB dalam kondisi penggerak nonlinier non-bias.