Nuovo tipo di trasduttore acustico subacqueo e nuova tecnologia di trasduttore

Le onde acustiche sono l'unico vettore di cui dispongono gli esseri umani in grado di trasmettere informazioni ed energia su lunghe distanze nel vasto oceano. Sulla terra, le persone usano le onde elettromagnetiche per sviluppare radar. Allo stesso modo, le persone utilizzano le onde acustiche come portatori di informazioni per sviluppare bersagli subacquei per il rilevamento e apparecchiature elettroniche per il posizionamento, l'identificazione e la comunicazione-sonar. Di fronte al vasto oceano, il sonar ha sulle spalle un'importante missione che raggiunge tutti gli angoli del vasto oceano, identifica varie cose in esso, che raccontano alle persone il vero volto del mondo sottomarino e aiutano le persone ad esplorare i misteri dell'oceano, al fine di diventare navigazione di comunicazione subacquea, pesca acquatica, sviluppo delle risorse marine, geologia marina ed esplorazione geomorfologica. Il motivo per cui le onde sonore diventano il miglior vettore di informazioni subacquee è che nei mezzi acquatici, le onde sonore hanno il coefficiente di attenuazione più piccolo rispetto ad altri campi fisici come le onde elettromagnetiche e possono essere trasmesse su lunghe distanze. Questo vantaggio rende il sonar che utilizza le onde ultrasoniche per osservare sott'acqua fin dall'inizio. L'obiettivo inizia e continua a svilupparsi. Attualmente, la banda di frequenza operativa del sonar è stata estesa ad un'ampia gamma. Il sonar attivo è stato esteso da decine di Hz a decine di MHz e la fascia a bassa frequenza del sonar passivo è stata estesa alla gamma degli infrasuoni. In una banda di frequenza così ampia, secondo le normative, l'importante dispositivo che stimola e genera onde sonore sotto forma di segnali e rileva e riceve le onde sonore nell'acqua senza distorsioni si chiama trasduttore sonar o array sonar. Questi dispositivi sono l'apparecchiatura front-end del sistema sonar, nonché la 'finestra' affinché il sistema sonar possa interagire con l'acqua e scambiare informazioni, e sono i 'realizzatori' delle funzioni del sistema sonar, per i trasduttori sonar o gli array sonar. Vengono vividamente definiti gli 'occhi e le orecchie' del sistema sonar. Con la continua espansione del campo di applicazione della tecnologia sonar e la domanda sempre crescente di confronti e combattimenti militari, nuovi principi, nuove tecnologie e nuove apparecchiature sonar sono emersi uno dopo l'altro, uno dopo l'altro. I requisiti di sviluppo della nuova tecnologia sonar hanno guidato il rapido sviluppo della tecnologia dei trasduttori e le stesse scoperte tecnologiche nel campo dei trasduttori e lo sviluppo di nuovi materiali, nuovi meccanismi e nuove strutture di anche i trasduttori acustici subacquei hanno reso il sistema sonar 'rinfrescante'. Ecco una breve panoramica dello stato di sviluppo della tecnologia dei trasduttori negli ultimi anni sulla base delle informazioni di cui dispone l'autore e del livello limitato di comprensione. Comprende principalmente trasduttori idroacustici di nuovo materiale, nuova struttura e nuovo meccanismo di trasduttore idroacustico, nuovo tipo di idrofono, tecnologia dei trasduttori a banda larga e così via.

 

2 Nuovo trasduttore acustico subacqueo in materiale

 

Il trasduttore è un dispositivo che realizza la conversione dell'energia nel sistema sonar. Nel trasduttore è presente un materiale speciale che ha la capacità di convertire l'energia. Questo materiale è chiamato materiale funzionale. I materiali funzionali utilizzati per realizzare i trasduttori includono principalmente materiali piezoelettrici (come cristalli piezoelettrici, ceramiche piezoelettriche, polimeri piezoelettrici, ecc.) e materiali magnetostrittivi (come nichel, cobalto, leghe di nichel-ferro, ferriti, leghe di ferro di terre rare, ecc.) Ecc.), utilizzano l'effetto piezoelettrico e l'effetto magnetostrittivo per realizzare la conversione reciproca tra energia del campo elettrico o energia del campo magnetico ed energia meccanica. La svolta della tecnologia dei trasduttori è determinata fondamentalmente dalla svolta tecnologica dei materiali funzionali. Negli ultimi anni, diverse conquiste tecniche nel campo dei materiali funzionali hanno portato anche allo sviluppo della tecnologia dei trasduttori. Il medico ha scoperto che i materiali delle terre rare lantanidi hanno proprietà magnetostrittive sorprendenti, ma non sono stati utilizzati nella pratica perché il punto di curie è inferiore alla temperatura ambiente. Successivamente si scoprì che le leghe binarie, ternarie o quaternarie composte da elementi di terre rare e ferro hanno anche enormi proprietà magnetostrittive a temperatura ambiente. La lega delle terre rare più rappresentativa è il Terfenol-D (la composizione è Tb0,27Dy0,73Fe1). 95), è diventato un nuovo tipo di materiale funzionale che ha attirato molta attenzione a partire dagli anni '80. Rilassamento ferroelettrico monocristallo piombo magnesio niobato-titanato di piombo (PMN-PT) e piombo zinco niobato-titanato di piombo (denominato PZN-PT) sono nuovi tipi di materiali compositi in cristallo di perovskite e stanno anche emergendo una classe di nuovi materiali funzionali con grandi prospettive di applicazione. Prima di questo, il nichel era comunemente usato come materiale per i trasduttori. Nel 1917, lo scienziato francese Langevin realizzò un trasduttore sonar con un cristallo di quarzo, stabilendo un precedente per l'applicazione di materiali piezoelettrici nel sonar. Negli anni '40, le ceramiche BaTiO3 pzt con forti proprietà piezoelettriche furono sviluppate con successo e furono ampiamente utilizzate nei sistemi sonar. Le ceramiche piezoelettriche PZT sviluppate negli anni '50 hanno un ampio intervallo di temperature operative ed eccellenti proprietà elettromeccaniche. L'efficienza di conversione compensa l'insufficienza delle ceramiche Ba TiO3 e una volta divenne il materiale preferito per i trasduttori acustici subacquei. Tra questi, il materiale ceramico piezoelettrico ad alta densità di energia è PZT-8. Un semplice confronto tra i materiali di cui sopra: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT possono produrre una deformazione circa 5 volte quella del PZT-8 e 50 volte quella del nichel; le costanti piezoelettriche di PMN-PT e PZN-PT sono d33. È 6-8 volte quello del materiale PZT-8. L'uso di questi materiali PZT per sviluppare nuovi trasduttori acustici subacquei è uno dei temi caldi attuali.

 

Materiale magnetostrittivo di Il trasduttore acustico subacqueo cilindrico è raro, il materiale magnetostrittivo del gigante terrestre utilizza l'effetto magnetostrittivo per realizzare la conversione reciproca tra energia del campo magnetico ed energia meccanica, ed è utilizzato principalmente per sviluppare trasduttori di emissioni acustiche subacquee a bassa frequenza e ad alta potenza. È una sorta di struttura 'complessa' del trasduttore idroacustico magnetostrittivo super conduttore ad alta temperatura. Dal punto di vista della struttura del trasduttore, la sua struttura è molto semplice. È un normale trasduttore longitudinale a doppio radiatore. Il cosiddetto 'complesso' qui si riferisce alla sua ricca connotazione fisica. Il potere magnetostrittivo dei materiali in lega di terre rare a bassa temperatura è maggiore di quello a temperatura ambiente. Ad esempio, la deformazione magnetostrittiva massima di Tb0.6Dy0.4 alla temperatura di 77K è dello 0,65%, mentre il Terfenol-D è a temperatura ambiente. La deformazione magnetostrittiva più alta è dello 0,25%. Sviluppato un trasduttore idroacustico magnetostrittivo in materiale Tb0.6Dy0.4 con un intervallo di temperatura di 50-60K: il materiale a forma di bastoncino in lega di terre rare viene posizionato nella stanza di condizionamento dell'aria e la torre di raffreddamento del frigorifero viene raffreddata ciclicamente e la stanza di condizionamento dell'aria è fornita da una bobina di materiale superconduttore. Il campo magnetico di polarizzazione e il campo magnetico di eccitazione eccitano l'asta magnetostrittiva per produrre vibrazioni di allungamento, che vengono trasmesse alla superficie radiante a pistone attraverso il pezzo di transizione meccanica, e la superficie radiante a pistone spinge il mezzo acquoso per generare radiazioni di onde di pressione. Nella struttura è prevista una camera a vuoto per isolare la conduzione del calore. La parete esterna della camera a vuoto è una copertura resistente alla pressione a forma di cupola, che può sopportare una pressione di 10 atmosfere. I principali parametri tecnici sono i seguenti: frequenza di risonanza 430 Hz, livello massimo della sorgente sonora 181,4 dB, l'efficienza è di circa il 25%. Il processo di produzione di questo tipo di trasduttore è complicato. Negli ultimi anni, le persone sono ancora disposte a utilizzare il materiale terfenolo-D che funziona a temperatura ambiente, abbandonando parte della tensione magnetostrittiva e sostituendola con una nuova struttura per ottenere eccellenti prestazioni di radiazione. Quella che segue è una breve introduzione ai progressi della ricerca su diversi materiali magnetostrittivi strutturali nei trasduttori acustici subacquei. Il trasduttore longitudinale ha una struttura semplice. L'asta magnetostrittiva è combinata con la testa radiante anteriore e la massa della coda per formare un simile sistema di vibrazione unidimensionale. La testa radiante anteriore è generalmente realizzata con materiali leggeri, mentre la massa della coda è generalmente realizzata con materiali densi per ottenere una superficie radiante. Uscita maggiore spostamento delle vibrazioni. Vengono introdotti due trasduttori longitudinali sviluppati con materiali Terfenol-D. Uno è un trasduttore longitudinale generale con una frequenza di risonanza di 1200 Hz, una potenza sonora di 3 kW e un peso del trasduttore di 60 kg; l'altro è l'asta delle terre rare su entrambe le estremità. Progettato come trasduttore longitudinale radiante a doppia estremità a forma di corno, la frequenza di risonanza è di 400 Hz, la potenza sonora è di 1,5 kW e il peso del trasduttore arriva fino a 100 kg. Trasduttore a forma di anello: un poligono regolare circondato da una serie di aste di terre rare e una serie di superfici ad arco circolare vengono eccitate dal pezzo di transizione per produrre vibrazioni radiali per ottenere una radiazione acustica ad alta potenza. È stata sviluppata una serie di trasduttori toroidali ad alta potenza a bassa frequenza per terre rare, inclusi trasduttori con una frequenza di risonanza di 200 Hz (diametro interno 0,56 m, diametro esterno 0,94 m, altezza 0,37 m, livello della sorgente sonora 193 dB, peso 410 kg) e un trasduttore con una frequenza di risonanza di 30 Hz (diametro 2 m, altezza 1,1 m, livello della sorgente sonora 195 dB, peso 5 t). Il trasduttore flessionale è un tipo di trasduttore che utilizza la vibrazione longitudinale della pila ceramica piezoelettrica o dell'asta magnetostrittiva per eccitare la superficie di radiazione del guscio (o del fascio di botte) con un effetto di amplificazione dell'ampiezza per la flessione delle vibrazioni. Vengono elencati diversi trasduttori di uso comune. Tipi di trasduttori flessionali, tra i quali I, II e III hanno le stesse caratteristiche. L'asta vibrante longitudinale eccita un guscio curvo rotazionalmente simmetrico. Il guscio può essere una struttura continua o una struttura tagliata in un gruppo di travi. Purcell ha utilizzato il materiale Terfenol-D per sviluppare un trasduttore di tensione-flessione a fascio barile concavo (tipo III), con una frequenza di risonanza di 1300 Hz, un livello di sorgente sonora di 188,7 dB e una larghezza di banda di 600 Hz. Grazie all'uso di un circuito magnetico aperto a barra singola, la frequenza di risonanza è. L'efficienza elettroacustica CA massima è solo del 7% e il peso del trasduttore è di 2,7 kg. I trasduttori flessionali fish-lip hanno caratteristiche comuni. Il trasduttore è eccitato da un'asta vibrante longitudinale per flettere il guscio ellittico convesso o concavo per ottenere una radiazione ad alta potenza. Il trasduttore flessotensivo fish-lip adotta l'effetto di amplificazione dell'ampiezza. L'effetto della ponderazione con l'area aumenta la potenza della radiazione sonora. Segnalato questo nuovo tipo di trasduttore acustico subacqueo ad alta potenza a bassa frequenza, inclusa la frequenza di risonanza di 210 Hz, 450 Hz, 800 Hz e 1200 Hz, i risultati della ricerca di questo nuovo tipo di trasduttore è attualmente utilizzato in array di sonar attivi a bassa frequenza, acustica Sistemi acustici come sorgenti sonore target e simulatori di rumore.

 

Trasduttore acustico subacqueo in materiale ferroelettrico per il relax

 

I materiali ferroelettrici rilassanti sono una sorta di potenziali materiali funzionali, che possono essere suddivisi in tipi ceramici elettrostrittivi e tipi monocristallini ferroelettrici rilassanti. Il processo di produzione dei monocristalli ferroelettrici rilassanti è molto più complicato di quello dei materiali ceramici elettrostrittivi. I ricercatori hanno utilizzato questi materiali per realizzare molti tipi di trasduttori, come trasduttori di flessione, trasduttori longitudinali e così via. La tecnologia di produzione del trasduttore di questo tipo di materiale è più complicata ed è necessario aggiungere un campo elettrico di polarizzazione CC, applicare pretensione e controllare la temperatura del processo. L'uso della ceramica elettrostrittiva PMN-PT-BT (piombo niobato di magnesio-titanato di piombo-titanato di bario) ha sviluppato il trasduttore flessionale di tipo IV. I risultati della ricerca mostrano che il trasduttore sviluppato non ha massimizzato il potenziale del materiale. Questo lavoro sarà ancora uno dei punti caldi che dovranno essere esplorati nel campo dei trasduttori acustici subacquei per un periodo di tempo. Utilizzando il materiale monocristallino ferroelettrico rilassante PMN-PT per studiare 64 canali della sonda ecografica da 3,5 MHz, utilizzata nelle apparecchiature mediche per ultrasuoni B e Doppler a colori, suggerendo che il materiale monocristallino ferroelettrico rilassante nel sonar con immagini ad alta frequenza.

 

Film polimerico piezoelettrico di il trasduttore acustico subacqueo sferico può essere trasformato in una membrana flessibile e il trasduttore può essere progettato in qualsiasi forma durante la realizzazione del trasduttore e l'impedenza acustica del materiale è bassa ed è facile ottenere impedenza con acqua e altri mezzi fluidi e tessuti biologici. Abbinamento, spesso utilizzato per realizzare idrofoni standard ad alta frequenza, trasduttori ad alta frequenza, trasduttori ad ultrasuoni medici, array conformi e array di trasduttori compositi diversificati. Il polimero piezoelettrico comunemente utilizzato per realizzare trasduttori è principalmente il fluoruro di polivinilidene (PVDF). Allo stato attuale, il film in materiale polimerico piezoelettrico più accattivante EMFi (abbreviazione di elettromeccanico), è un tipo di film flessibile in schiuma di polipropilene, la sua costante piezoelettrica è circa 10 volte quella del PVDF, che può essere utilizzato per realizzare trasduttori ad alta sensibilità. La struttura del trasduttore a film sottile EMFi ha un diametro della superficie di ricezione di 35 mm e la sensibilità di ricezione del trasduttore è maggiore di -190 dB (il valore di riferimento è 1 V/μPa). Questo tipo di trasduttore può essere utilizzato anche in aria per ricevere o emettere onde sonore.

 

Introduzione della nuova struttura del trasduttore acustico subacqueo e di vari meccanismi di trasduzione. I materiali funzionali sono importanti nel trasduttore, ma devono essere riprodotti da una struttura adeguata. Pertanto, la progettazione strutturale del trasduttore sembra essere particolarmente importante nello sviluppo della tecnologia dei trasduttori. importante. In base ai diversi campi di applicazione e ai vari requisiti tecnici, o in base alle caratteristiche dei diversi meccanismi di trasduzione e dei materiali funzionali, sono emersi uno dopo l'altro vari tipi di trasduttori, molti dei quali combinano tecnologie multidisciplinari per aprire insieme nuove strade Difficoltà tecniche per soddisfare alcuni requisiti tecnici speciali. Il trasduttore idroacustico magnetostrittivo superconduttore ad alta temperatura è un tipico esempio. Nel contenuto di questo articolo e nelle tipologie di trasduttori che verranno introdotte in seguito, molte sono anche le nuove strutture e i nuovi meccanismi dei trasduttori acustici subacquei. Per non ripetere, in questa sezione citiamo solo altri due esempi di progettazione di nuove strutture.

 

Il trasduttore di tipo piatto (piatto) è un tipo di trasduttore di nuova struttura simile al trasduttore flessionale. Ogni trasduttore di tipo piatto è costituito da una coppia di dischi ceramici piezoelettrici PZT e da un cappuccio metallico incollato insieme. Il disco ceramico piezoelettrico PZT applica una tensione alternata per generare vibrazioni radiali per eccitare il cappuccio metallico per la vibrazione di flessione, e il cappuccio metallico rialzato del trasduttore produce vibrazioni alternate di 'espansione-restringimento'. Onde sonore di radiazione. Quando la stessa onda di pressione alternata agisce sul cappuccio metallico, la pressione verrà trasmessa al disco ceramico piezoelettrico PZT e la tensione alternata verrà emessa ai due poli del disco ceramico, che viene utilizzato come trasduttore di ricezione. La frequenza di risonanza del trasduttore a piatto nell'acqua è 16,1 kHz e la risposta alla tensione di emissione è 130 dB (il valore di riferimento è 1 μPa/V, a 1 m). In Figura 5 è mostrata anche la foto della matrice a 9 elementi composta da questo tipo di trasduttore. . Nel trasduttore piezoelettrico a bassa frequenza del tipo a molla elicoidale, la ceramica piezoelettrica viene trasformata in una forma a molla elicoidale (come mostrato nella Figura 6), ilil trasduttore ceramico piezoelettrico viene polarizzato nella direzione tangenziale, quindi viene costruita una coppia di elettrodi di eccitazione. La sezione neutra senza elettrodi al centro è separata per formare una coppia di elettrodi ad anello esterno 1 e una coppia di elettrodi ad anello interno 2 (vedere il diagramma schematico ingrandito di un piccolo frammento in Fig. 6). In questo modo, la tensione di eccitazione V viene applicata alla coppia di elettrodi, la parte della ceramica piezoelettrica controllata dalla coppia di elettrodi dell'anello esterno e dalla coppia di elettrodi dell'anello interno produrrà vibrazioni opposte (estensione o contrazione) e il movimento di espansione e contrazione del sistema a molla spingerà la superficie di lavoro del pistone a vibrare l'energia sonora. A causa della bassa rigidità di questa struttura, ha una bassa frequenza di risonanza e può essere utilizzata come trasduttore di trasmissione a bassa frequenza. Se utilizzato come ricevitore, ha anche un'elevata sensibilità nelle bande di bassa frequenza. Partendo dall'equazione piezoelettrica è stata ottenuta la relazione di conversione elettromeccanica di questo tipo di trasduttore e sono stati condotti alcuni lavori di ricerca esplorativa.

 

Introduzione ai vari meccanismi di conversione dell'energia nei trasduttori acustici subacquei Dal punto di vista della conversione dell'energia, i trasduttori possono essere principalmente suddivisi in trasduttori piezoelettrici che utilizzano l'effetto piezoelettrico per ottenere la conversione dell'energia e trasduttori magnetici che utilizzano l'effetto magnetostrittivo per ottenere la conversione dell'energia. Trasduttori retrattili, i trasduttori coinvolti nel contenuto precedente appartengono a questi due tipi.