Nuovi sviluppi ceramici piezoelettrici utilizzati nei trasduttori sonar subacquei

Il trasduttore è una parte importante del sonar. Dal punto di vista della storia dell'idroacustica, ogni fase dello sviluppo dell'acustica subacquea è inseparabile dallo sviluppo della tecnologia dei trasduttori. Poiché i trasduttori idroacustici svolgono un ruolo chiave nell’ingegneria acustica subacquea, molti paesi sviluppati hanno investito enormemente nella ricerca. Dalla storia dello sviluppo delle apparecchiature acustiche subacquee, dall'inizio della prima guerra mondiale, il trasduttore tipo Langevin costituito da Sono stati utilizzati cristalli ceramici piezoelettrici e masse metalliche. Dopo numerose sostituzioni di prodotto, sono stati utilizzati i trasduttori. Le prestazioni sono state notevolmente migliorate. Negli ultimi due o tre decenni, a causa della domanda militare, del rapido sviluppo della scienza e della tecnologia, del continuo sviluppo e applicazione di nuovi materiali per trasduttori e dell'applicazione dell'analisi degli elementi piezoelettrici finiti nella progettazione dei trasduttori, la ricerca sui trasduttori. Sulla base della teoria classica e dei metodi analitici, sono emersi molti nuovi concetti e metodi. Il trasduttore acustico subacqueo si trova ad affrontare un nuovo ciclo di sostituzione del prodotto. Trasduttore diluito magnetostrittivo gigante, trasduttore piezo ceramico elettrostrittivo ad alte prestazioni, idrofono vettoriale, trasduttore composito piezoelettrico, idrofono PVDF ad ampia area a bassa frequenza, idrofono a fibra ottica, ecc. Rappresenta gli ultimi sviluppi nella ricerca sui trasduttori. Sotto questo aspetto, questo articolo attende con interesse gli ultimi sviluppi dei trasduttori sonar subacquei.

trasduttore magnetostrittivo gigante

Negli anni '70, AE Clark scoprì che le leghe delle terre rare hanno proprietà super magnetostrittive. Queste deformazioni massime causate dagli effetti magnetostrittivi sono da 6 a 20 volte maggiori di quelle di trasduttore a tubo piezoelettrico utilizzato nei trasduttori acustici subacquei e la densità di energia è da 10 a 20 volte e la velocità del suono è solo da 2/3 a 3/4 della ceramica piezoelettrica e viene fornito il confronto delle prestazioni tra il materiale delle terre rare Terfenol2D e il materiale piezoelettrico convenzionale PZT-8 e nichel. Pertanto, alle stesse condizioni di volume, il trasduttore idroacustico Terfenol2D ha una frequenza di risonanza che è da 2/3 a 3/4 inferiore alla frequenza di risonanza del trasduttore idroacustico ceramico piezoelettrico. Poiché il trasduttore realizzato in materiale magnetostrittivo gigante delle terre rare Terfenol2D ha le caratteristiche di grande potenza di trasmissione, piccolo volume, leggerezza e ambiente ad alta temperatura, è ottenuto nello sviluppo di trasduttori acustici subacquei ad alta potenza a bassa frequenza-bassissima frequenza. Attenzione e applicazione adeguate. Negli anni '80, i paesi sviluppati hanno sviluppato vari trasduttori per terre rare e li hanno applicati al campo militare. La Svezia ha sviluppato con successo trasduttori curvi per terre rare con una potenza sonora di 151 kW per lo sminamento. La Cina ha iniziato la ricerca negli anni ’90, ma ha fatto rapidi progressi. Hanno sviluppato con successo trasduttori di flessione di terre rare, trasduttori intarsiati di terre rare e trasduttori di terre rare con asta composita longitudinale, ecc. Le caratteristiche principali dei materiali Terfenol2D sono (1) materiali fragili e lavorazione difficile. (2) Poiché i materiali delle terre rare non sono solo un materiale conduttivo magnetico ma anche un materiale conduttivo, quando il campo magnetico esterno cambia, il trasduttore di terre rare. Le perdite di correnti parassite verranno generate all'interno e le perdite saranno grandi alle alte frequenze. Rispetto ai trasduttori ceramici piezoelettrici, i trasduttori magnetostrittivi giganti devono risolvere problemi quali polarizzazione magnetica, precompressione, perdita di correnti parassite e compensazione delle acque profonde. Al momento esistono alcune soluzioni a queste carenze. Allo scopo di risolvere il problema del materiale fragile e della grande perdita di correnti parassite, è stato studiato il materiale magnetostrittivo gigante GMPC, Terfenol 2D in polvere, miscelato con materiali leganti, pressato e formato mediante metallurgia delle polveri. Per la progettazione di trasduttori magnetostrittivi giganti, è una soluzione vantaggiosa sfruttare appieno la sua grande deformazione e l'elevata densità di energia come fonte di eccitazione del trasduttore di flessione. Può essere utilizzato per effettuare una varietà di conversioni a bassa frequenza, volume ridotto e alta potenza. La corretta selezione della polarizzazione magnetica, del pre-stress e delle tecniche di applicazione dei materiali magnetostrittivi giganti delle terre rare hanno un grande impatto sulle prestazioni del trasduttore. Generalmente, la polarizzazione magnetica viene selezionata a 1/3 del valore di saturazione magnetostrittiva e la pretensione viene selezionata tra 7 MPa e 10 MPa per ottenere una grande potenza di uscita.

Idrofono a fibra ottica

La tecnologia degli idrofoni a fibra ottica è iniziata nel laboratorio navale statunitense alla fine degli anni '70. L'idrofono in fibra ottica presenta i vantaggi di alta sensibilità, forte capacità di interferenza anti-elettromagnetica, ampia gamma dinamica, dimensioni ridotte e peso leggero Emisfero piezoelettrico Pzt4 . Pertanto, la tecnologia fu molto apprezzata fin dalla sua nascita e fu considerata una delle tecnologie chiave della difesa nazionale. Dopo più di 20 anni di sviluppo, la tecnologia degli idrofoni a fibra ottica ha fatto grandi progressi nei paesi sviluppati e sono stati introdotti vari idrofoni a fibra ottica. Hanno completato il sistema di monitoraggio del suono sottomarino dell'idrofono interamente in fibra, il line array trainato, l'array conforme sottomarino e così via. In particolare, il successo dello sviluppo dei laser a stato solido ha aperto un vasto mondo di applicazioni per le fibre ottiche. Anche la tecnologia dell'idrofono a fibra ottica ha un buon inizio. Le prestazioni del prototipo dell'unità sono state vicine o hanno raggiunto il livello internazionale ed è stata condotta la ricerca sulla tecnologia dell'array di idrofoni in fibra ottica. La penetrazione della ricerca sui sonar nella tecnologia laser aprirà senza dubbio una nuova pagina nella ricerca sui sonar. Tutti i tipi di idrofoni a fibra ottica sono progettati in base all'effetto dell'onda sonora per effettuare la modulazione di fase o la modulazione dell'intensità della luce in fibra. La fibra si divide in fibra multimodale e fibra monomodale. L'idrofono in fibra ottica è costituito principalmente da fibra monomodale. Tipo di interferometro e tipo di modulazione dell'intensità luminosa. Sotto l'azione della pressione sonora, si genera uno stress nel nucleo della fibra ottica che provoca cambiamenti nell'indice di rifrazione e nella lunghezza. Questi due cambiamenti provocano la modulazione di fase del laser che si propaga nella fibra ottica. L'idrofono a fibra ottica del tipo interferometro utilizza la fibra che è influenzata dal campo sonoro come fibra sensibile e l'altra è separata dal campo sonoro. Come fibra di riferimento viene utilizzata la fibra con una differenza di fase fissa, che è posizionata sui bracci dell'interferometro e del convertitore fotoelettrico. Dopo la sintesi, si forma un'interferenza sulla superficie del fotomoltiplicatore ricevuto e vengono rilevate informazioni acustiche. Poiché la lunghezza d'onda della luce è molto piccola, la leggera deformazione del segnale causata dalla pressione sonora non è un piccolo cambiamento rispetto alla lunghezza d'onda della luce, e quindi provoca un grande cambiamento nell'intensità della luce in uscita, quindi la sensibilità dell'idrofono di tipo con interferenza in fibra è particolarmente elevata. Le prestazioni tecniche raggiunte dall'idrofono a fibra ottica dell'interferometro a fibra sono le seguenti: sensibilità alla tensione di ricezione: - 140 dB (0 dB = 1 V/μPa) Sensibilità di fase: 2,56 × 10 - 8 rad / μPa. Risposta in frequenza: 16 Hz ~ 10 kHz (ondulazione ≤ 3 dB) direzionalità: omnidirezionale (ondulazione ≤ 2,5 dB) Tra tutti i tipi di intensità idrofoni, l'idrofono a reticolo è un nuovo, collaudato ed efficace rilevatore acustico subacqueo. 

L'uscita è espressa come modulazione diretta dell'intensità del campo sonoro incidente. Il suo principio di funzionamento principale è quello di provocare lo spostamento relativo dei due reticoli tra la sorgente luminosa costante e il ricevitore di luce sotto l'azione del campo sonoro, e l'intensità di ricezione è una funzione dello spostamento relativo dei due reticoli, in modo che il campo sonoro possa essere trasformato. Per la modulazione dell'intensità. L'idrofono a reticolo stesso è costituito essenzialmente da due guide d'onda ottiche (o fibre) allineate assialmente con un piccolo spazio e le aperture nello spazio che controllano la trasmittanza forniscono la modulazione di intensità richiesta. L'idrofono offre tutti i vantaggi di un dispositivo di modulazione diretta dell'intensità ed è poco costoso. Il metodo del reticolo può raggiungere una sensibilità relativamente elevata e il dispositivo è semplice da produrre, senza alcuna tecnologia ottica avanzata, ha una gamma dinamica fino a 160 dB e ha la capacità di rilevare uno spostamento causato dal suono inferiore a 0,01 A. Inoltre, grazie alla scelta flessibile di densità del reticolo, offset, potenza ottica e struttura dell'idrofono, c'è maggiore flessibilità nella progettazione di sensibilità, gamma dinamica, dimensioni e gamma di frequenza operativa. Per gli idrofoni a fibra ottica, il rumore di sparo causato dalle fluttuazioni di corrente sul fotodiodo è la principale fonte di rumore e viene spesso definito limite di rumore teorico. Inoltre, l'allineamento del raggio, l'isolamento del raggio di riferimento e l'isolamento delle vibrazioni della sorgente hanno un impatto diretto sulle prestazioni. Il più grande svantaggio degli idrofoni in fibra ottica è il grande effetto della temperatura.