Inovasi Teknologi dalam Pengembangan Transduser Akustik Bawah Air(2)

     Inovasi Teknologi dalam Pengembangan Transduser Akustik Bawah Air(2)

Paduan besi-gallium (Galfenol) adalah jenis bahan magnetostriktif baru yang muncul dalam beberapa tahun terakhir. Regangan magnetostriktifnya berada di antara nikel dan Terfenol-D, pada 300ppm (ppm adalah variabel mikro, mewakili ΔL/L=10- 6) Di atas, dibandingkan dengan Terfenol-D, ia memiliki keunggulan permeabilitas relatif lebih tinggi (>100), kemampuan mesin yang baik, stabilitas suhu tinggi, dan kekuatan tarik tinggi. Karena bahan paduan besi-gallium memiliki kinerja pemesinan yang baik dan kekuatan mekanik yang tinggi, bahan ini dapat digunakan untuk merancang dan memproses rumah transduser fleksibel. Gambar 2b adalah contoh penelitian transduser fleksibel barel cekung dengan rumah paduan besi-gallium. Itu transduser akustik bawah air digerakkan. Vibrator terdiri dari elemen paduan besi-gallium Φ20mm×40mm dan lembaran magnet permanen neodymium-besi-boron, dan membentuk sirkuit magnetik tertutup dengan cangkang yang memancar. Hasil percobaan menunjukkan bahwa respon arus emisi transduser adalah 168,4dB (frekuensi resonansi 1750Hz), lebih baik daripada duralumin dengan ukuran geometris yang sama. Transduser housing (frekuensi resonansi 1900Hz) ditingkatkan hampir 5dB, yang mencerminkan keunggulan desain housing aktif.

 

Diterbitkan pada tahun 2000, hasil penelitian transduser longitudinal broadband eksitasi sambungan magnetostriktif-piezoelektrik. Transduser longitudinal digerakkan bersama oleh unit Terfenol-D dan tumpukan PZT, yang mewujudkan operasi broadband kopling puncak resonansi ganda 1,8KHz dan 3,5KHz. Karakteristik, literatur juga melaporkan bahwa array planar berdaya tinggi 4x4 yang terdiri dari transduser jenis ini, tingkat sumber suara array lebih besar dari 225dB pada pita frekuensi 1,5-6kHz.

 

Transduser longitudinal penggerak multi-unit Terfenol-D, penulis dengan cerdik merancang unit penggerak, strukturnya menggunakan selongsong magnet permanen untuk menerapkan medan magnet bias untuk memisahkan medan magnet statis dari sirkuit magnet dinamis, dan magnet dinamis Elemen magnet permanen dengan permeabilitas rendah dihindari di jalan, dan efek penggerak energi medan magnet ditingkatkan; adalah diagram fisik unit penggerak. 4 unit penggerak tersebut dihubungkan secara mekanis secara seri untuk membentuk pengganti memanjang frekuensi rendah dengan penutup depan dan massa ekor. Perangkat energi, sekrup pusat adalah pratekan; Gambar 3c adalah gambar sebenarnya dari transduser setelah pengemasan, frekuensi resonansi transduser adalah 1,6kHz, dan tingkat sumber suara adalah 177bB.

 

Desain sirkuit magnetik transduser magnetostriktif sangat penting. Butler mengambil transduser flextensional barel cekung sebagai contoh dan membandingkan efek kerja enam skema sirkuit magnetik melalui analisis elemen hingga. Struktur sirkuit magnet pada Gambar 4a-f masing-masing adalah .batang tanah jarang kontinu ditambah penutup ujung dan selongsong aksesori permeabel besi murni, batang tanah jarang kontinu ditambah penutup ujung aksesori permeabel besi murni, batang tanah jarang kontinu tanpa aksesori permeabel besi murni, kombinasi batang tanah jarang dan potongan magnet permanen ditambah penutup ujung dan selongsong lampiran permeabel besi murni, kombinasi batang tanah jarang dan potongan magnet permanen ditambah penutup ujung aksesori permeabel besi murni, batang tanah jarang dan kombinasi potongan magnet permanen tanpa aksesori magnetik permeabel besi murni, yang efektif koefisien kopling elektromekanis dihitung masing-masing sebesar 0,33, 0,30, 0,27, 0,23, 0,21, dan 0,20, yang menunjukkan bahwa koefisien kopling elektromekanis efektif dari vibrator tanah jarang diubah dari batang tanah jarang kontinu menjadi batang tanah jarang yang dikombinasikan dengan lembaran magnet permanen. Penutup ujung dan selongsong aksesori permeabel magnetik besi murni memiliki efek tertentu dalam meningkatkan kinerja kopling elektromekanis dari vibrator tanah jarang, tetapi untuk bahan penggerak dengan permeabilitas relatif rendah seperti Terfenol-D, peningkatannya kecil, dan koefisien kopling elektromekanis efektif ditentukan oleh 0,20 hingga 0,23 atau 0,27 hingga 0,33.

 

 

2. Bahan piezoelektrik generasi baru dan transdusernya

Hingga paruh pertama abad ke-20, semua bahan piezoelektrik berbentuk kristal tunggal. Barium titanat keramik piezoelektrik polikristalin pertama kali ditemukan pada tahun 1950-an, diikuti oleh timbal zirkonat titanat (PZT) pada tahun 1960-an. Kinerja keramik piezoelektrik ini jauh melebihi kristal tunggal awal, dan PZT telah menjadi bahan fungsional utama transduser akustik bawah air.

Pada pertengahan 1990-an, timbal kristal tunggal piezoelektrik baru magnesium niobate-timbal titanat (PMN-PT) dan timbal seng niobate-timah titanat (PZN-PT) ditemukan, kedua bahan kristal tunggal piezoelektrik ini memiliki regangan saturasi yang sangat tinggi (lebih dari 1%), kehilangan rendah, dan koefisien kopling piezoelektrik yang tinggi (lebih besar dari 0,9), menunjukkan keuntungan potensial dari peningkatan daya dan perluasan pita frekuensi ke arah akustik bawah air transduser. Dalam beberapa tahun terakhir, bahan kristal tunggal piezoelektrik timbal indium niobate-timbal magnesium niobate-timbal titanat (PIN-PMN-PT) terner dan timbal indium niobate-timbal magnesium niobate-timah titanat (Mn: PIN-PMN-PT), yang selanjutnya meningkatkan karakteristik kerja dalam kondisi medan listrik tinggi.

Penerapan bahan kristal tunggal piezoelektrik seperti PMN-PT di bidang akustik bawah air dimulai dari perancangan dan pengembangan transduser longitudinal. Meyer dan yang lainnya telah melakukan serangkaian penelitian, termasuk analisis rinci transduser longitudinal PMN-PT 33 mode dan 32 mode, dan studi perbandingan dengan PZT-8. Gambar 5a adalah transduser longitudinal 33 mode yang digerakkan oleh tumpukan 10 wafer PZT-8, Gambar 5b adalah transduser longitudinal 33 mode yang digerakkan oleh tumpukan 3 wafer PMN-PT, dan Gambar 5c adalah 4 PMN-PT Strip panjang membentuk transduser longitudinal 32 mode berbentuk 'mulut'. Hasilnya menunjukkan bahwa ketika PMN-PT dan PZT-8 digunakan untuk membuat transduser longitudinal dengan frekuensi dan tingkat sumber emisi yang sama serta parameter lainnya, kristal PMN-PT Panjang tumpukan hanya sekitar 30% dari PZT-8, yang menunjukkan keunggulan teknis bahan kristal tunggal piezoelektrik untuk membuat transduser kecil; mode 32 dapat membuat bahan kristal tunggal dipotong sesuai dengan orientasi kinerja terbaik, dan pada saat yang sama menggunakan kombinasi strip panjang. Hal ini dapat menghindari masalah teknis seperti menumbuhkan wafer tunggal berukuran besar, meningkatkan keandalan dan konsistensi transduser, dan memiliki keuntungan yang jelas untuk aplikasi susunan sonar ringan frekuensi menengah dan tinggi.

Kristal tunggal telah mengembangkan a transduser transmisi silinder yang terdiri dari cincin bertatahkan. Setiap cincin terdiri dari 12 strip berbentuk baji, dan 9 cincin dirangkai rapat pada arah aksial membentuk silinder. Ukuran geometris (Φ20.3mm×66mm) Secara signifikan lebih kecil daripada transduser keramik piezoelektrik dengan frekuensi yang sama, dan mewujudkan karakteristik kerja broadband lebih dari 2,5 oktaf. Dokumen lain menggunakan kristal tunggal PMN-PT untuk mengembangkan transduser fleksibel barel cekung. Penggetar penggerak transduser terdiri dari tumpukan 16 elemen terpolarisasi aksial Φ28mm×Φ10mm×4.8mm, dan cangkang getaran paduan titanium. Respon tegangan emisi ditingkatkan lebih dari 5dB dibandingkan dengan transduser struktur yang sama dari bahan PZT-4.

Suhu transisi fase trigonal-tetragonal kristal tunggal PMN-PT relatif rendah, sehingga membatasi jangkauan penerapannya sampai batas tertentu, terutama untuk aplikasi dalam kondisi daya tinggi. Timbal terner indium niobate-timbal magnesium niobate-timbal titanat (PIN-PMN-PT) dan kristal tunggal doping mangan (Mn: PIN-PMN-PT) membuat suhu transisi fase kristal tunggal feroelektrik relaksor menjadi jelas Meningkatkan dan sangat mengurangi faktor kerugian pada saat yang sama: suhu transisi fase ditingkatkan dari 95°C menjadi 125°C, faktor kerugian berkurang dari 0,26 menjadi 0,15, dan kerugian faktornya hanya 1/2 dari keramik piezoelektrik PZT-4 biasa. Terdapat juga literatur yang menggunakan dua kristal tunggal formula baru ini, PMN-PT dan PZT-4 untuk membuat transduser longitudinal dan membandingkan karakteristik operasi daya tinggi mereka, yang membuktikan bahwa bahan kristal tunggal formula baru lebih cocok untuk daya tinggi dan kondisi siklus kerja yang besar. Tingkat sumber suara transduser PMN-PT 5dB lebih tinggi dibandingkan transduser PMN-PT pada frekuensi resonansi. Dibandingkan dengan keramik piezoelektrik PZT-4, tingkat sumber suara dan kapasitas daya pada frekuensi resonansi pada dasarnya setara, dan bandwidth kerja meningkat 1 kali lipat, dan tingkat sumber suara maksimum di luar frekuensi resonansi meningkat sekitar 6dB.

 

Penelitian penerapan bahan kristal tunggal PMN-PT sebagian besar berfokus pada sistem pencitraan ultrasonik frekuensi tinggi medis. Berikut ini hanya satu kasus penelitian aplikasi transduser hidro-akustik Cymbal, menggunakan elemen PMN-PT Φ12,7mm×1mm untuk menggerakkan titanium setebal 0,25mm. Tutup getaran lentur paduan telah mengembangkan transduser tegangan lentur ukuran kecil tipe Cymbal, yang memiliki respons tegangan emisi 6dB lebih tinggi daripada transduser yang digerakkan PZT-4 dengan struktur yang sama.

 

2. Inovasi teknis struktur dan teknologi transduser akustik bawah air

⒈Inovasi teknis untuk meningkatkan karakteristik sinar

Dalam sonar modern, berbagai susunan dasar umumnya digunakan untuk mencapai karakteristik pancaran yang diperlukan. Namun, bila bukaan pemasangan transduser terbatas dan terdapat persyaratan khusus untuk karakteristik berkas, tindakan teknis perlu diambil untuk mengontrol karakteristik berkas transduser. Pendekatan teknis utama untuk perbaikan meliputi: penerapan penyekat, teknologi superposisi modal menggunakan dipol dan multipol, dll. Bagian ini memilih beberapa contoh penelitian umum, dengan fokus pada analisis dan ringkasan penggunaan metode superposisi modal untuk meningkatkan karakteristik berkas pencapaian teknis transduser.

⑴Menggunakan penyekat untuk meningkatkan karakteristik pancaran transduser

Pada sistem sonar awal, transduser independen umumnya digunakan. Ketika directivity tidak dapat memenuhi persyaratan, pantulan penyekat digunakan untuk mengontrol berkas transmisi, yang terutama mencakup melewati penyekat datar, penyekat silinder, dan penyekat bola. Penyekat pelat dan kerucut untuk mengubah pengarahan transduser silinder, transduser piston, transduser bola, dll., sampai batas tertentu memenuhi kebutuhan kontrol berkas transmisi satu arah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, penggunaan kerucut ganda Penyekat reflektif menyesuaikan pengarahan transduser toroidal magnetostriktif, dan mewujudkan karakteristik radiasi berkas satu sisi.

 

Terdapat literatur bahwa transduser fleksibel tipe IV 3kHz ditempatkan di dekat fokus penyekat reflektor parabola, sehingga transduser fleksibel tipe IV dengan non-arahnya sendiri dapat mencapai karakteristik radiasi searah. Percobaan memperoleh sudut bukaan satu sudut sebesar 83°. Terhadap beam, perbedaan respon depan dan belakang adalah 21dB.

⑵ Transduser arah kombinasi modal

Berbagai transduser struktural memiliki mode getaran multi-urutan yang berbeda. Transduser resonansi umumnya bekerja berdasarkan mode getaran frekuensi dasar. Mode getaran yang berbeda akan sesuai dengan metode eksitasi efektifnya, sehingga kombinasi metode eksitasi dapat digunakan Sadarilah penggerak superposisi dari beberapa mode getaran, untuk mencapai tujuan mengubah karakteristik pancaran sinar. Mode utama yang dapat mengubah karakteristik pancaran transduser melalui kombinasi meliputi mode monopol, mode dipol, dan mode kuadrupol, dll. Mode dasar ini dapat mencapai berbagai pola direktivitas melalui kombinasi berbobot. Pada bagian ini, dikombinasikan dengan hasil literatur spesifik, dilakukan analisis singkat dan ringkasan teknologi pemrosesan dan metode eksitasi transduser struktural yang berbeda untuk mencapai superposisi modal.

Pekerjaan multi-mode eksitasi umumnya mengadopsi metode eksitasi partisi, seperti: tabung keramik piezoelektrik atau cangkang bola sering mengadopsi metode elektroda terpisah, lihat Gambar 7a, b; transduser poligon (cincin) magnetostriktif , mengadopsi cara eksitasi tepi independen.

 

Butler dkk. merancang dan mengembangkan 'modal transduser', masih menggunakan ide desain eksitasi partisi, tetapi menerobos batasan pembagian komponen independen, menggunakan 8 vibrator longitudinal 1/4 independen untuk berbagi massa ekor, masing-masing transduser Permukaan yang memancar adalah permukaan busur silinder mendekati 45°, dan semuanya secara kolektif membungkus transduser pemancar silinder yang dipartisi dan digerakkan secara independen. Ukuran geometris transduser tidak dibatasi oleh kondisi proses elemen independen, dan arah memanjang dari struktur pratekan juga diadopsi. Vibrator memiliki keunggulan teknis untuk desain transduser transmisi terarah frekuensi rendah dan daya tinggi. Gambar 8 menunjukkan bentuk getaran modal dasar dari 'transduser modal'. Transduser modal berdasarkan keramik piezoelektrik PZT-8, kristal tunggal PMN-PT, dan bahan magnetostriktif raksasa Terfenol-D telah dirancang dan dikembangkan masing-masing. Ini telah memperoleh sinar transmisi terarah cardioid dengan indeks directivity 6dB dan perbedaan respon depan-belakang sebesar 25dB.

 

Ini adalah jenis lain dari transduser emisi terarah frekuensi rendah dan berdaya tinggi—transduser flextensional tereksitasi zona. Dalam desainnya, tumpukan piezoelektrik (atau vibrator magnetostriktif) dari transduser tegangan fleksi dikenai eksitasi zona, menggunakan Kombinasi mode monopol dan dipol ditumpangkan untuk membentuk berkas emisi terarah cardioid. Gambar 9a adalah transduser fleksibel tipe IV direktivitas 900Hz, dan Gambar 9b adalah transduser fleksibel tipe VII direktivitas 3kHz.

Literatur mempelajari transduser silinder multimode pita lebar dengan pelat penyekat (ditunjukkan pada Gambar 10). Elektroda tabung silinder keramik piezoelektrik dibagi rata menjadi dua kelompok, dan tereksitasi secara independen untuk mendapatkan monopole (mode 0) dan dipol (mode 1), dan kemudian bekerja sama dengan penyekat untuk mewujudkan emisi arah unilateral. Penelitian ini juga menggunakan hubungan fase antara mode untuk merancang penguat daya independen dan rangkaian tuning, melalui frekuensi rendah '0+1' dan frekuensi tinggi '0 + 1'. －1' Kontrol kombinasi modal mewujudkan karakteristik kerja broadband. Transduser mengadopsi 4 tabung bundar piezoelektrik PZT-4 berukuran Φ38.2mm×Φ31.8mm×19mm pada arah ketinggian, dan ukuran setelah pengemasan adalah Φ48mm×79mm. Penyekat terbuat dari dua potong karet gabus yang dilaminasi membentuk setengah lingkaran. Permukaan silinder memiliki ketebalan 6mm, dan respons tegangan emisi berfluktuasi sebesar 6dB pada pita frekuensi 26-46kHz.

2. Inovasi teknis untuk meningkatkan karakteristik frekuensi

Dengan perluasan multi-arah arah penerapan teknologi akustik bawah air, rentang frekuensi kerja sistem sonar aktif terus diperluas. Diantaranya, frekuensi kerja sonar gambar resolusi tinggi telah ditingkatkan menjadi 106Hz, dan pita frekuensi kerja sonar deteksi dan komunikasi jarak sangat jauh bahkan lebih rendah. Di bawah 100 Hz; di sisi lain, perkembangan pemrosesan informasi sonar mengharuskan pita frekuensi kerja transduser selebar mungkin. Oleh karena itu, transduser frekuensi rendah dan transduser broadband telah menarik banyak perhatian di bidang akustik bawah air dalam beberapa tahun terakhir, dan hasil penelitiannya cukup kaya. Namun masih banyak permasalahan teoritis dan teknis yang belum terselesaikan dengan baik. Aspek ini masih akan menjadi hotspot penelitian dan fokus pengembangan di masa depan. Bagian ini memilih penelitian yang mengarah pada transduser frekuensi rendah dan transduser broadband, serta menganalisis dan merangkumnya. Ide-ide inovatif dan pencapaian teknologi baru.

⑴ Desain inovatif transduser frekuensi rendah

①Membengkokkan transduser getaran frekuensi rendah

Masalah teknis pertama yang dihadapi oleh pengembangan transduser frekuensi rendah adalah ukuran geometris. Umumnya frekuensi kerja transduser resonansi berbanding terbalik dengan ukuran geometriknya, yaitu semakin rendah frekuensi transduser maka semakin besar ukuran geometrinya, misalnya konversi longitudinal 500Hz. Panjang perangkat energi sekitar 3m. Getaran lentur dapat secara efektif mengurangi ukuran geometris transduser frekuensi rendah. Diantaranya, transduser yang perangkat fungsionalnya secara langsung berpartisipasi dalam getaran tekukan terutama mencakup transduser berkas tekuk, transduser cakram tekuk, dll.

Gambar 11a menunjukkan struktur balok lentur tiga susun. Sepotong strip keramik piezoelektrik ditempelkan di bagian atas dan bawah balok lentur. Ketika salah satu strip keramik piezoelektrik meregang dan yang lainnya berkontraksi saat tereksitasi, balok logam di tengahnya akan menghasilkan getaran lentur. Konversi energi semacam ini Perangkat perlu terkena air di satu sisi untuk memancarkan gelombang suara, jadi biasanya beberapa sinar melengkung digabungkan untuk membentuk rongga udara, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11b, setiap permukaan yang memancar bergetar dalam fase.

 

Prinsip kerja serupa disebut transduser cakram melengkung dengan struktur cakram, yang juga mencakup struktur tiga lapis dan laminasi ganda. Gambar 11c menunjukkan transduser cakram melengkung kompak yang terdiri dari sepasang lembaran berlapis ganda. (Bender). Analisis sistem Delany meneliti karakteristik operasi Bender yang berfrekuensi rendah, berukuran kecil, dan berdaya tinggi.

Pengembangan transduser frekuensi rendah getaran lentur juga mencakup transduser toroidal dengan struktur terpisah (ditunjukkan pada Gambar 12). Transduser toroidal terpisah dapat dianggap sebagai transduser berkas lentur khusus. Struktur aslinya diusulkan oleh Harris pada tahun 1957. Balok cincin komposit terdiri dari cincin keramik piezoelektrik bagian dalam dan cincin logam bagian luar. Pemodelan dan analisis transduser didasarkan pada 'model garpu tala' yang ditunjukkan pada Gambar 12b, dan elemen penggerak disesuaikan dengan struktur terpisah. Transduser cincin terpisah dapat dirancang dengan ukuran lebih besar, dan massa dapat disesuaikan melalui kekakuan distribusi ketebalan untuk mencapai optimalisasi frekuensi operasi dan karakteristik radiasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12c.

 

②Transduser tegangan lentur

Konsep transduser flextensional dimulai dari paten Hayes pada tahun 1936. Setelah Toulis mempublikasikan paten transduser flextensional tipe IV pada tahun 1966, penelitian dan penerapan transduser flextensional mulai aktif, dan sejauh ini sudah ada lebih dari setengahnya. Dalam abad sejarah perkembangan , berbagai bentuk struktural transduser fleksibel telah lahir, dan prinsip kerja serta proses strukturalnya penuh dengan ide desain yang inovatif. Kami tidak dapat memperkenalkannya satu per satu dalam urutan kronologis perkembangannya, hanya transduser fleksibel. Struktur dan metode insentif perusahaan dibagi menjadi tiga kategori berikut, yang dianalisis dan diringkas secara singkat.

△Transduser tegangan lentur dengan struktur silinder. Transduser jenis ini digerakkan oleh vibrator teleskopik memanjang untuk menerjemahkan cangkang getaran lentur, seperti ditunjukkan pada Gambar 13. Cangkang getar transduser merupakan struktur translasi, yaitu permukaan silinder dengan berbagai bentuk, digerakkan oleh satu atau lebih vibrator teleskopik longitudinal, a adalah transduser fleksibel tipe IV, b adalah perangkat energi transduser fleksibel tipe VII, c adalah transduser tegangan lentur 'berbentuk bintang' yang digerakkan oleh sebuah tumpukan piezoelektrik ortogonal, dan transduser tegangan lentur 'berbentuk bintang' yang digerakkan oleh vibrator magnetostriktif segi empat. Karena transduser jenis ini mudah untuk merancang vibrator eksitasi partisi, transduser fleksibel terarah yang dijelaskan di atas umumnya memilih jenis struktur ini.

△Transduser tegangan lentur dengan badan berputar panjang. Jenis transduser ini digerakkan oleh vibrator teleskopik memanjang untuk menggerakkan cangkang getaran lentur simetris rotasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14. Cangkang getar transduser adalah struktur simetris rotasi, termasuk serangkaian balok barel yang didistribusikan sepanjang keliling, yang umumnya digerakkan oleh vibrator teleskopik longitudinal. Gambar 14a dan b adalah bentuk cembung dari struktur transduser fleksibel tipe I dan struktur cekung; seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14c, vibrator eksitasi longitudinal transduser diperpanjang ke arah aksial untuk meningkatkan volume bahan fungsional untuk berkembang menjadi transduser fleksibel tipe II; seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14d, cangkang getaran lentur dirancang dalam bentuk dua bagian atau lebih, dikembangkan menjadi transduser fleksibel tipe III. Transduser fleksibel tipe II dan tipe III memiliki struktur cekung yang sesuai.

△Transduser tegangan lentur dengan badan berputar datar. Jenis transduser ini digerakkan oleh vibrator yang mengembang secara radial untuk menggerakkan cangkang getaran lentur simetris rotasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15. Cangkang getar transduser adalah struktur simetris rotasi, umumnya sepasang mahkota bola cembung atau cekung (atau mahkota bola), digerakkan oleh vibrator cincin atau cakram yang mengembang secara radial, Gambar 15a menunjukkan cincin Penggerak transduser fleksibel tipe V, b adalah a transduser fleksibel tipe V yang digerakkan oleh wafer, c adalah transduser fleksibel tipe VI, d dan e adalah transduser fleksibel kecil yang dikembangkan berdasarkan struktur b Perangkat ini disebut transduser simbal.

△ Struktur rongga transduser frekuensi rendah. Resonator Helmholtz merupakan bentuk dasar struktur rongga transduser akustik bawah air, seperti ditunjukkan pada Gambar 16. a, b, dan c merupakan tiga struktur dasar resonator Helmholtz yang menggunakan eksitasi tabung keramik piezoelektrik, eksitasi cakram lentur, dan eksitasi bola keramik piezoelektrik. Resonator Helmholtz umumnya memiliki pita frekuensi kerja yang sempit, dan d digunakan berdasarkan b Permukaan kerja ganda dari cakram melengkung merangsang rongga resonansi dengan volume berbeda untuk mewujudkan operasi resonansi ganda. Literatur menetapkan model analisis resonator Helmholtz yang lebih lengkap, dan menganalisis hubungan antara karakteristik kerja dan parameter struktural resonator Helmholtz 300HZ. Morozov dkk. merancang sumber suara organ pipa bawah air (ditunjukkan pada Gambar 17). Desain Gambar 17a mewujudkan penyetelan frekuensi dengan menggerakkan selongsong untuk mengubah impedansi sistem resonansi. Frekuensi penyetelan berkisar antara 225 hingga 325 Hz, dan efisiensinya mencapai 80% atau lebih, mencerminkan sistem Q (faktor kualitas) tinggi dengan karakteristik efisiensi tinggi; Gambar 17b Desainnya menggunakan struktur tabung ganda dengan sumber suara bulat bawaan untuk mencapai resonansi frekuensi ganda. Resonansi frekuensi rendah adalah resonansi rongga yang terdiri dari selongsong dua bagian. Resonansi frekuensi tinggi hanyalah resonansi yang sesuai dengan tabung resonansi bagian dalam. Selongsong luar dan tabung resonansi bagian dalam dapat menggunakan bahan aluminium metalik atau serat karbon non-logam.

⑵ Desain transduser broadband yang inovatif

Dalam sejarah perkembangan teknologi akustik bawah air, berbagai bentuk struktur transduser akustik bawah air telah diproduksi, yang masing-masing karakteristik kerjanya ditentukan oleh karakteristik strukturnya. Untuk beradaptasi dengan kebutuhan teknik aplikasi broadband, hampir setiap transduser struktural dihadapkan pada masalah teknis desain broadband dan peningkatan proses. Diantaranya, transduser longitudinal adalah salah satu bentuk struktur transduser yang paling umum di bidangnya transduser broadband bawah air . Hasil penelitian desain dan penerapan broadband cukup kaya. Prinsip teknis desain broadband transduser struktural lainnya pada dasarnya serupa. Bagian ini berfokus pada serangkaian ide desain baru berdasarkan transduser longitudinal untuk mencapai karakteristik broadband.

① Transduser longitudinal broadband kombinasi pita

Penerapan kombinasi pita frekuensi sudah dimulai pada tahap awal perkembangan teknologi sonar. Pekerjaan awal terlihat pada tahun 1940-an. Tiga transduser longitudinal magnetostriktif dengan frekuensi resonansi berbeda digunakan untuk menggerakkan pelat radiasi persegi panjang dan enam transduser dalam susunan tangga. Digerakkan oleh kumparan belitan umum (ditunjukkan pada Gambar 18), frekuensi resonansi independen transduser masing-masing adalah 21,5, 23 dan 24,5kHz, Q=12, dan Q=4 setelah kombinasi. Meskipun metode kombinasi pita frekuensi ini tidak sepenuhnya merupakan transduser pita lebar, namun metode ini masih banyak digunakan di bidang akustik bawah air, terutama dalam sistem akustik seperti simulasi kebisingan dan umpan akustik. Kombinasi perangkat ini mewujudkan karakteristik emisi ultra-wideband.

 

② Modal kopling transduser longitudinal broadband

Penutup depan transduser memanjang biasanya diasumsikan bergetar seperti piston dalam analisis model satu dimensi, yaitu tidak terjadi getaran tekuk. Jika tanduk pada permukaan pancaran transduser relatif lebar, maka harus disertai dengan getaran tekuk, yang wajar. Menggunakan mode getaran tekuk penutup depan untuk secara efektif memasangkannya dengan mode getaran memanjang, transduser memanjang pita lebar dapat dirancang. Literatur telah mempelajari efek kopling dari getaran lentur dan getaran memanjang dari pelat penutup memancar persegi, dan merancang transduser broadband. Dalam literatur lain, piringan getar dan pembengkokan tertanam di penutup radiasi, dan piringan pembengkokan digabungkan dengan mode getaran transduser longitudinal, dan transduser broadband dirancang dan dikembangkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19a. Tumpukan piezoelektrik transduser longitudinal dapat dirancang dalam beberapa kelompok. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19b, ini adalah struktur dasar transduser yang menggunakan kopling modal eksitasi ganda untuk mencapai operasi broadband. Butler didasarkan pada struktur transduser longitudinal eksitasi ganda. Pengembangan mendalam, seperti penggunaan eksitasi ganda hibrida magnetostriktif dan piezoelektrik untuk merancang transduser longitudinal broadband, dan penutup depan untuk menempelkan lapisan pencocokan 1/4 panjang gelombang, dan merancang mode resonansi orde ketiga yang menggabungkan transduser longitudinal ultra-wideband Perangkat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19c, memiliki pita frekuensi kerja 13 hingga 37kHz.

③Transduser longitudinal pita lebar ditambah dengan rongga cairan

Desain khas kopling antara transduser memanjang dan rongga cairan adalah transduser Janus-Helmholtz (ditunjukkan pada Gambar 20). Transduser memanjang mengadopsi struktur radiasi berujung ganda, yang disebut Janus, dengan selongsong silinder yang dirancang untuk membentuk rongga resonansi Helmholtz di antara kepala radiasi ganda Janus; transduser resonansi rongga cairan umum memiliki pita frekuensi kerja yang sempit. Dalam aplikasi gabungan Janus, transmisi broadband dapat diwujudkan melalui desain kopling modal yang dioptimalkan.

Gall merancang dua transduser Janus-Helmholtz, 300Hz dan 160Hz, dan mempelajari secara mendalam efek penambahan tabung yang sesuai di rongga resonansi Helmholtz pada karakteristik pengoperasian broadband transduser.

⒊Inovasi teknis untuk meningkatkan kekuatan suara yang dipancarkan

Cara langsung untuk meningkatkan kekuatan suara transduser akustik bawah air adalah dengan meningkatkan volume transduser, menambah jumlahnya, dan membentuk matriks yang rapat. Metode yang paling efektif adalah dengan menggunakan bahan fungsional dengan kepadatan energi tinggi. Bab-bab sebelumnya telah menjelaskan penerapan material fungsional dengan kepadatan energi tinggi. Bagian ini berfokus pada inovasi teknis dalam struktur dan proses transduser daya tinggi bervolume kecil.

Dalam menggambarkan kelebihan dan kekurangan dari ukuran kecil dan karakteristik daya tinggi dari transduser, umumnya digunakan ukuran volume merit yang digunakan untuk mengukur, yaitu

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Rumus ⑴ mendefinisikan faktor kelayakan volume suatu jenis transduser tertentu, dengan: Wa adalah kekuatan suara (W), V adalah volume transduser (m3), f0 adalah frekuensi resonansi (Hz), Q adalah faktor kualitas, Faktor kelayakan volume perangkat berkaitan erat dengan struktur dan bahan fungsional. Delany merancang dan mengembangkan transduser cakram lengkung kompak (Bender), dan secara sistematis menganalisis dan mempelajari karakteristik kerja operasi frekuensi rendah, ukuran kecil, dan daya tinggi Bender.

 

 

Ada literatur yang merancang transduser tegangan lentur tipe I struktur cekung tipe I (tipe barel cekung) menjadi kombinasi yang lebih kompak, yang memungkinkan beberapa cluster transduser dalam volume terbatas untuk memaksimalkan perpindahan volume dan mencapai karakteristik Daya yang besar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 21, puncak dari 6 transduser fleksibel tipe I dikelompokkan bersama untuk membentuk transduser fleksibel 'bintang berujung enam tiga dimensi', yang memiliki karakteristik struktur kompak, frekuensi rendah, daya tinggi dan pita frekuensi lebar: frekuensi resonansi fundamental Respons tegangan transmisi pada 1,15kHz adalah 127dB, omnidirection, dan respons tegangan transmisi dari 800Hz hingga 10kHz lebih besar dari 120dB. Parameter FOMv tidak diberikan dalam literatur, dan diharapkan setara atau lebih tinggi dari transduser fleksibel 'berbentuk bintang'.

Perancangan dan analisis di atas untuk mencapai ukuran kecil dan daya tinggi pada dasarnya dimulai dari batas kelistrikan dan mekanik, dan hanya mempertimbangkan kepadatan energi bahan fungsional dan batas getaran struktur. Ketika transduser memerlukan pulsa yang panjang atau pengoperasian terus menerus, panas dan pembuangan panas transduser akan menjadi masalah terbesar dalam kondisi daya tinggi. Pada saat ini, batas termal merupakan faktor utama yang membatasi daya ultimat transduser. Batas termal transduser adalah salah satu isu dasar penting yang menjadi perhatian dalam bidang teknik. Sama seperti rincian proses transduser, tidak banyak makalah penelitian yang dilaporkan secara publik. Terdapat literatur untuk memodelkan dan menganalisis masalah termal transduser frekuensi rendah dan daya tinggi, dan membahas masalah konduksi termal transduser fleksibel Janus-Helmholtz dan Tipe IV. Ketika transduser bekerja di perairan dangkal, terutama transmisi frekuensi rendah dan daya tinggi, peningkatan daya suara juga akan dibatasi oleh batas akustik faktor kavitasi. Dengan latar belakang ini, metode peningkatan kekuatan transduser tunggal tidak lagi efektif. Array dasar juga akan dibatasi, sehingga hanya ada satu cara untuk membentuk array dasar yang jarang.

Oleh karena itu, ketika merancang transduser frekuensi rendah dan daya tinggi, perlu dilakukan pemilihan bentuk struktur dan bahan fungsi penggerak secara rasional, dengan mempertimbangkan faktor-faktor seperti batas listrik, batas mekanis, batas termal, dan batas akustik, serta melakukan analisis keseluruhan dan optimasi yang komprehensif. Ada hubungan optimal antara batas daya dan volume transduser. Penelitian mendalam mengenai hal ini akan menjadi salah satu arahan teknis transduser frekuensi rendah dan daya tinggi di masa depan.

 

⒋Inovasi teknologi untuk meningkatkan ketahanan tekanan hidrostatik

Saat ini, civitas akademika telah mengusulkan ide-ide pembangunan seperti lautan transparan dan lautan informasi. Tujuannya agar teknologi informasi bawah air dapat mencakup seluruh penjuru lautan, termasuk wilayah kutub dan palung jurang. Oleh karena itu, mereka mengajukan persyaratan untuk penggunaan transduser akustik bawah air secara lebih mendalam. Bahkan menantang kemampuan bekerja di laut dalam. Kapasitas ketahanan tekanan hidrostatik transduser berkaitan erat dengan struktur transduser, terutama untuk transduser emisi frekuensi rendah dengan kekakuan struktural rendah. Pemecahan teknologi struktur ketahanan tekanan hidrostatik telah menjadi topik penting dalam bidang teknologi transduser saat ini. Metode dan sarana efektif saat ini untuk mengatasi kedalaman kerja terutama mencakup pengisian cairan, pengisian cairan pencocokan tabung yang sesuai, dukungan struktur alami, kompensasi tabung gas bertekanan tinggi, kompensasi kantung udara, dll., pada kedalaman kerja di atas 1000m, satu-satunya metode teknis yang efektif adalah teknologi pengisian cairan, termasuk Jenis luapan bebas secara langsung menggunakan air laut sebagai cairan pengisi atau mengisi beberapa media impedansi minyak untuk mencapai keseimbangan tekanan statis mandiri; dalam jarak 1000m, tabung kepatuhan tahan tekanan dapat digunakan di rongga cairan pada saat yang sama untuk meningkatkan kepatuhan rongga cairan; Dalam jarak 200m, penyangga alami struktur dapat menahan tekanan hidrostatis. Beberapa transduser dengan kekakuan struktural yang sangat rendah (seperti transduser kumparan bergerak) dapat menggunakan silinder udara bertekanan tinggi untuk memberikan kompensasi tekanan. Umumnya, dalam jarak 100m, kompensasi kantung udara dapat digunakan. Transduser struktur rongga yang diperkenalkan di atas umumnya dapat dirancang sebagai mode kerja berisi cairan untuk mencapai pekerjaan di perairan dalam. Pada bagian ini diberikan beberapa contoh penerapan desain struktur berisi minyak.

 

Karya penelitian Kendig yang diterbitkan pada tahun 1965, menggabungkan penerapan 4 transduser longitudinal yang digerakkan oleh cakram keramik piezoelektrik PZT-4, diisi dengan minyak silikon untuk melindungi rongga yang terbentuk antara cangkang baja (termasuk pelat karet pemancar suara) dan transduser . Rongga tersebut terhubung dengan ruang cairan belakang. Karet kedap suara ujung depan dan jendela karet ujung belakang bersentuhan dengan air laut untuk mencapai keseimbangan tekanan internal dan eksternal. Bandwidth kerja transduser adalah 30-50kHz, dan pekerjaan dalam kisaran tekanan hidrostatik 0-6.9MPa telah dipelajari secara eksperimental. Ciri khasnya, metode keseimbangan tekanan ini masih digunakan di banyak rangkaian sonar perairan dalam. Gambar 22b menunjukkan transduser toroidal luapan bebas dengan struktur berisi minyak. Cincin keramik piezoelektrik digantung di selongsong karet poliuretan, dan bagian dalamnya diisi dengan minyak silikon untuk mencapai keseimbangan tekanan dengan dunia luar. Selongsong karet poliuretan adalah bahan transmisi suara yang ideal, transduser jenis ini memiliki karakteristik kerja yang serupa dengan bentuk lapisan infus langsung dari karet poliuretan. Untuk tabung bundar PZT-4 Φ 150mm ×Φ 140mm × 50mm, analisis simulasi dan studi eksperimen karet poliuretan pada rentang frekuensi 5 ～ 10kHz Bahan selongsong diganti dengan paduan titanium atau baja. Hasilnya, paduan titanium mengurangi respons tegangan emisi sekitar 6dB, dan baja mengurangi respons tegangan emisi sekitar 12dB.

 

3. Kesimpulan

Melihat sejarah perkembangan teknologi transduser selama ratusan tahun, mulai dari lahirnya transduser piezoelektrik pertama hingga pesatnya perkembangan teknologi transduser modern, inovasi teknologi pada transduser akustik bawah air sudah sering muncul. Tujuan utama dari inovasi dan pengembangan teknologi transduser meliputi: menyederhanakan proses yang kompleks, menerobos hambatan teknis, menulis ulang batasan teknis, meningkatkan kinerja teknis yang komprehensif, mengusulkan konsep dan mekanisme baru, menghasilkan dan mengembangkan arah teknis baru, serta memperdalam dan menyempurnakan teori sistem disiplin transduser dan sebagainya. Artikel ini memperkenalkan beberapa kasus penelitian yang mencerminkan desain inovatif dan keahlian luar biasa dari transduser dari aspek penerapan material baru, struktur dan teknologi transduser baru, dll.