Progressi della ricerca e opportunità di sviluppo della tecnologia dei trasduttori acustici subacquei

Le onde acustiche sono considerate l'unico vettore di informazioni in grado di percorrere lunghe distanze nell'oceano. La ricerca marina, lo sviluppo delle risorse e le lotte militari marittime sono tutti inseparabili dalla tecnologia acustica subacquea. Lo sviluppo della tecnologia idroacustica richiede vari tipi di trasduttori idroacustici per fornire supporto e la missione dei trasduttori idroacustici è quella di trasmettere e ricevere onde sonore sott'acqua, quindi i trasduttori idroacustici sono conosciuti come gli occhi e le orecchie delle apparecchiature idroacustiche. Lo sviluppo di trasduttori idroacustici comprende principalmente l'applicazione di nuovi materiali, l'adozione di nuovi processi e la progettazione di nuove strutture per ottenere il miglioramento e il miglioramento delle prestazioni tecniche globali del trasduttore. L'urgenza La domanda dal campo della tecnologia idroacustica è lo sviluppo diretto di trasduttori idroacustici. Questo articolo si concentra sui risultati della ricerca nazionale sui trasduttori acustici subacquei negli ultimi 20 anni, compresi principalmente i nuovi sviluppi nei trasduttori a bassa frequenza, trasduttori a banda larga ad alta frequenza, trasduttori per acque profonde e idrofoni vettoriali. Sulla base dell'analisi e del riepilogo, combinati con la strategia e la situazione di sviluppo della tecnologia marina del mio paese, discutono brevemente le sfide e le opportunità di sviluppo affrontate dall'attuale sottomarino. tecnologia dei trasduttori acustici.

 

IL il trasduttore acustico subacqueo è un tipo di sensore che realizza la conversione del suono e di altre forme di energia o informazione nel mezzo acquatico; il trasduttore acustico subacqueo è l'apparecchiatura front-end del sistema sonar, ed è anche l'interazione tra il sistema sonar e il mezzo acquatico per lo scambio di informazioni. finestra'. Il campo di ricerca e sviluppo della tecnologia dei trasduttori acustici subacquei prevede l'integrazione di più discipline e le discipline strettamente correlate includono principalmente: fisica, scienza dei materiali, matematica, meccanica, elettronica, chimica, meccanica, ecc., quindi lo sviluppo di trasduttori acustici subacquei è strettamente correlato ai risultati di altre discipline di base e allo stesso tempo è limitato dallo sviluppo di varie discipline correlate. A giudicare dai decenni di storia dello sviluppo dei trasduttori idroacustici del mio paese, la più grande motivazione allo sviluppo arriva dai requisiti applicativi nel campo della tecnologia idroacustica, ma fino alla fine del 20° secolo, lo sviluppo della tecnologia dei trasduttori idroacustici nel mio paese mancava di natura generale e sistematica.

 

1.1 Progressi della ricerca sui trasduttori a bassa frequenza

In risposta alle urgenti esigenze di trasmissione di informazioni subacquee a lunghissimo raggio e allo sviluppo del rilevamento sottomarino ultra-stealth, i trasduttori di trasmissione a bassa frequenza sono diventati uno dei punti caldi più preoccupati nel campo dei trasduttori acustici subacquei dal 21° secolo. La banda di frequenza operativa del sonar di rilevamento e comunicazione straniero a raggio ultra lungo è stata ridotta a circa 100 Hz. I trasduttori a bassa frequenza comportano molti problemi teorici e tecnici, che al momento non sono stati risolti bene, e questo aspetto sarà ancora il punto focale della ricerca e il centro dell'attenzione nello sviluppo futuro. Questa sezione seleziona il lavoro di ricerca sui trasduttori di vibrazione flessionale a bassa frequenza e sui trasduttori di tensione-flessione e riassume i nuovi risultati tecnologici.

 

1.1.1 Trasduttore di vibrazione a flessione a bassa frequenza

Il primo problema tecnico affrontato dallo sviluppo di trasduttori subacquei a bassa frequenza è la dimensione geometrica. Generalmente la frequenza di lavoro dei trasduttori risonanti è inversamente proporzionale alla dimensione geometrica. Ciò significa che quanto più bassa è la frequenza del trasduttore, tanto maggiore sarà la dimensione geometrica. Le vibrazioni possono ridurre efficacemente la dimensione geometrica dei trasduttori a bassa frequenza. I nuovi progetti di trasduttori di vibrazione flessionale a bassa frequenza in Cina negli ultimi 20 anni includono principalmente trasduttori a fascio curvo e trasduttori a disco curvo.

 

(1) Trasduttore del fascio di flessione. Progettare un trasduttore trasmettitore a banda larga a trave cilindrica a sbalzo (Figura 1a). Il design della struttura combina le caratteristiche della frequenza modale a bassa vibrazione flessurale e il metodo di accoppiamento delle vibrazioni multimodali per ampliare la banda di frequenza. Chai Yong et al. Si propone un trasduttore ad anello di accoppiamento tubo-trave (Figura 1b). Aggiungendo una trave curva al trasduttore a forma di anello integrato per formare una struttura di accoppiamento tubo-trave, la modalità di lavoro effettiva viene aumentata. Utilizzare l'accoppiamento multimodale per ottenere caratteristiche operative a bassa frequenza e a banda larga. Viene adottata la struttura di troppopieno e la sua capacità di resistere alla pressione idrostatica è stata verificata mediante l'effettiva applicazione dello standard sui sommergibili per acque profonde 3.000 m. Xu et al. proposto due schemi di progettazione per trasduttori cilindrici a bassa frequenza (Figura 1c ed), hanno condotto una serie di simulazioni e hanno fornito le curve di risposta alle emissioni guidate dai nuovi materiali magnetostrittivi Terfenol-D e Galfenol. Dimostra il potenziale della struttura del trasduttore per applicazioni a frequenza ultrabassa.

Figura 1 Nuovo design del trasduttore a bassa frequenza per raggio curvo (a), 0 è un raggio fisso e 1-5 sono raggi cilindrici con spessori diversi

(3) Trasduttore a disco piegato. Il trasduttore a disco curvo comprende strutture a tre stack, a doppio stack e così via. La Figura 2a mostra un trasduttore a disco curvo compatto composto da una coppia di doppie laminazioni. Il lavoro di ricerca straniero è relativamente maturo. È stata condotta una ricerca approfondita su questa struttura di base del trasduttore a disco curvo. Partendo da questa struttura di base, progettando la camera del liquido e migliorando la modalità di guida, sono stati realizzati alcuni nuovi progetti]. La Figura 2b è un trasduttore a disco curvo azionato da un anello a mosaico. Il progetto della Figura 2c utilizza trasduttori a disco curvo di diverse dimensioni per formare una matrice e utilizza diversi metodi di guida per ottenere il funzionamento a banda larga. La Figura 2d è un trasduttore a disco curvo con struttura a cavità di troppopieno. La dimensione della cavità del liquido è opportunamente regolata nella progettazione per soddisfare i requisiti di prestazione acustica. Si tratta di un trasduttore a disco curvo pilotato da galfenolo, che utilizza una struttura simile a un trasduttore longitudinale per eccitare la vibrazione flettente del radiatore anteriore 

Figura 2 Nuovo design del trasduttore a bassa frequenza con disco curvo

1.1.2 Trasduttore flessotensivo

Il concetto del trasduttore flessionale è iniziato dal brevetto di Hayes nel 1936. La modalità di funzionamento di base è che uno o più vibratori telescopici guidano il guscio di vibrazione flessionale per generare radiazione sonora a bassa frequenza. La ricerca e l'applicazione dei trasduttori flessionali nel mio paese è attiva dalla fine del XX secolo. I ricercatori hanno progettato trasduttori flessionali con varie strutture. In base alla struttura e al metodo di eccitazione, i trasduttori flessionali si dividono in tre categorie. Questo metodo di classificazione viene utilizzato qui per presentarlo separatamente.

 

(2) Trasduttore di tensione-flessione con struttura cilindrica. Questo tipo di trasduttore è azionato da un vibratore telescopico longitudinale per tradurre il guscio di vibrazione flessionale. Il guscio vibrante del trasduttore è una struttura traslazionale, cioè un guscio cilindrico di varia forma, che viene azionato da uno o più vibratori telescopici longitudinali. Compreso il trasduttore flextensionale di tipo IV e la sua struttura di deformazione, il trasduttore flextensionale di tipo VII, il trasduttore flextensionale quadrilatero, ecc. La Figura 3a è una tipica struttura di trasduttore flextensionale di tipo IV. È stato sviluppato il trasduttore flessionale di tipo IV pilotato da un materiale PMNT monocristallo ferroelettrico rilassante. È stato sviluppato il trasduttore flessionale di tipo IV azionato dal materiale magnetostrittivo gigante delle terre rare Terfenol-D. La Figura 3b è il nuovo design del trasduttore flessionale di tipo VII, che è guidato dal materiale magnetostrittivo gigante delle terre rare Terfenol-D. Il metodo di eccitazione è progettato nella parte più ampia della dimensione trasversale e una coppia di vibratori paralleli è progettata per dare uno sguardo approfondito a questo tipo di trasduttore. La serie di ricerche comprende analisi del progetto di precompressione, modellazione teorica, analisi modale, ricerca sperimentale, ecc. La Figura 3c è un nuovo design migliorato del trasduttore flessionale di tipo IV, che è simile al miglioramento progettuale del trasduttore flessionale di tipo I rispetto al trasduttore flessionale di tipo II, utilizzando una struttura a guscio ellittico con un asse lungo allungato, il trasduttore è guidato dal materiale rilassatore ferroelettrico monocristallino PMNT, che ha migliori caratteristiche operative a banda larga rispetto al trasduttore flessotensivo di tipo IV generale. La Figura 3d è il primo nuovo progetto per migliorare il trasduttore flessionale di tipo IV in Cina: il trasduttore flessionale di tipo fish-lip, che utilizza un guscio ellittico ad altezza variabile e utilizza il materiale super magnetostrittivo delle terre rare Terfenol-D drive, questo guscio vibrante dalla forma speciale ha un effetto braccio di leva e un effetto di doppia amplificazione altamente ponderato. Allo stato attuale, il trasduttore flessionale fish-lip Terfenol-D è stato serializzato e progettato in una struttura a doppio guscio per aumentare ulteriormente la potenza di trasmissione. La potenza sonora massima di un singolo trasduttore può raggiungere i 10.000 watt, rendendolo un trasduttore di trasmissione domestico ad alta potenza a bassa frequenza. Uno dei tipi base. La Figura 3e è un trasduttore flessionale quadrilatero ad eccitazione ortogonale, che adotta un miglioramento del design compatto, che può aggiungere più materiali funzionali in un volume limitato e migliorare il livello della sorgente sonora di emissione. La Figura 3f è un altro nuovo design migliorato del trasduttore flessionale di tipo IV, simile al miglioramento progettuale del trasduttore flessionale di tipo I rispetto al trasduttore flessionale di tipo III, che utilizza due gusci ellittici in serie lungo la direzione dell'asse lungo. Nel complesso, per l'eccitazione viene utilizzato uno stack piezoelettrico più lungo, in modo che la frequenza di risonanza del vibratore longitudinale sia ridotta e vicina alla modalità di frequenza fondamentale del guscio di flessione, che favorisce l'accoppiamento modale per ottenere le caratteristiche operative della banda larga. La Figura 3g è un nuovo design migliorato per il vibratore di eccitazione del trasduttore flessotensivo di tipo IV. È un trasduttore flessotensivo di tipo IV azionato dal vibratore pieghevole. Questa struttura combinata con un materiale dell'alloggiamento a bassa rigidità può ridurre efficacemente la frequenza di risonanza.

Figura 3 Trasduttore di tensione-flessione con struttura a colonna

È noto anche come trasduttore flessotensivo di tipo zucca. È stato studiato il trasduttore flessotensivo di tipo zucca pilotato da PZT e PZT+Terfenol-D. , Viene effettuata l'analisi simulativa dei parametri caratteristici dell'emissione dell'eccitazione congiunta. La Figura 4c è un trasduttore di tensione flessibile a tubo concavo eccitato mediante combinazione magnetostrizione-piezoelettrica. Nel progetto, due elementi di eccitazione, Terfenol-D e PZT, vengono utilizzati per formare un vibratore longitudinale composito. La Figura 4d mostra il trasduttore flessionale a cilindro concavo. È eccitato dallo stack multi-piezoelettrico. Partendo dalla premessa che l'involucro rimane invariato e il volume totale del materiale ceramico piezoelettrico è lo stesso, l'analisi di numeri diversi (1-4) azionamenti di stack piezoelettrici. Per l'impatto sulle prestazioni del trasduttore, è stato progettato e sviluppato un trasduttore di tensione a flessione a tubo concavo eccitato da un triplo stack piezoelettrico.

Figura 4 Trasduttore di tensione a flessione del corpo rotante di tipo lungo

Trasduttore di tensione a flessione a corpo rotante di tipo piatto. Questo tipo di trasduttore è azionato da un vibratore ad espansione radiale per azionare un guscio vibrante di flessione rotazionalmente simmetrico. Il guscio vibrante del trasduttore è una struttura rotazionalmente simmetrica, generalmente una coppia di calotte sferiche convesse o concave (o calotte sferiche) oppure è composto da un disco, ecc., azionato da un anello ad espansione radiale o vibratore a disco, incluso trasduttore di flessione a forma di V, trasduttore di flessione a forma di VI, trasduttore di flessione a forma di disco, ecc., qui presentato Flessibile di tipo V di piccole dimensioni trasduttore-piatto e trasduttore flextensionale di tipo disco. La Figura 5a è un trasduttore flessotensivo a forma di V di piccole dimensioni. Una coppia di cappucci terminali in metallo sono azionati da un disco ceramico piezoelettrico che vibra radialmente per produrre vibrazioni di flessione; La Figura 5b è un trasduttore flessionale a forma di disco, che utilizza PZT- nel progetto. 4 L'anello ceramico piezoelettrico polarizzato radialmente aziona il disco curvo. Il disco è diviso in 16 settori uguali lungo la fessura radiale per ridurre l'accoppiamento delle vibrazioni laterali. I trasduttori flessionali di queste due forme strutturali hanno le caratteristiche di bassa frequenza di risonanza, dimensioni geometriche ridotte ed elevata efficienza elettroacustica.

Figura 5 Trasduttore di tensione a flessione del corpo rotante di tipo piatto

1.2 Progressi della ricerca sui trasduttori a banda larga ad alta frequenza

Oltre alla distanza di rilevamento come indicatore importante delle apparecchiature acustiche subacquee, un'altra direzione di sviluppo è quella di ottenere la massima quantità di informazioni sul bersaglio come scopo principale. Ad esempio, sonar con immagini ad alta risoluzione, comunicazione acustica subacquea ad alta velocità di dati, ecc. Richiede il funzionamento in modalità ad alta frequenza e la banda di frequenza di lavoro è la più ampia possibile. Pertanto, il trasduttore acustico subacqueo a banda larga ad alta frequenza è diventato un componente chiave del sistema, simile all'ottica. La lente del sistema di imaging è la stessa.

 

La Figura 6a è a trasduttore a banda larga ad alta frequenza con colonna in ceramica piezoelettrica e strato di adattamento. Vengono studiati il ​​rapporto tra la spaziatura della ceramica piezoelettrica e la dimensione della ceramica e l'effetto dei materiali di riempimento sulla larghezza di banda. Il trasduttore a banda larga ad alta frequenza a doppio strato corrispondente progettato nella Figura 6b utilizza colonne ceramiche piezoelettriche per formare un array, quindi aggiunge una struttura a doppio strato corrispondente di strato metallico e materiale composito in resina per ottenere prestazioni di emissione acustica a banda larga ad alta frequenza. La Figura 6c mostra il trasduttore piezoelettrico composito a banda larga ad alta frequenza 1-1-3 progettato, che consiste di pilastri piezoelettrici collegati unidimensionali e pilastri metallici collegati unidimensionali disposti in parallelo in una matrice polimerica collegata tridimensionale. Viene formato il materiale composito piezoelettrico trifase ed è stato sviluppato il trasduttore di trasmissione a banda larga ad alta frequenza. La Figura 6d mostra il trasduttore piezoelettrico composito a banda larga ad alta frequenza 1-3 progettato, che utilizza l'effetto di accoppiamento della modalità di vibrazione dello spessore e della modalità di vibrazione trasversale del primo ordine per realizzare le caratteristiche operative della banda larga. La Figura 6e mostra il trasduttore a banda larga ad alta frequenza ad anello composito piezoelettrico progettato. L'anello composito piezoelettrico è ottenuto tagliando radialmente l'anello ceramico piezoelettrico e colando resina epossidica. Quindi si ottengono due anelli compositi piezoelettrici con spessori di parete diversi. L'anello composito è sovrapposto per formare un trasduttore a doppia risonanza che irradia radialmente.

 

Figura 6 Trasduttore a banda larga ad alta frequenza