Innovazione tecnologica nello sviluppo di trasduttori acustici subacquei(1)

Innovazione tecnologica nello sviluppo di trasduttori acustici subacquei

 

 

Il 70,8% della superficie terrestre è costituita da oceani. Il vasto oceano è il più grande tesoro di risorse della terra e rappresenta anche una posizione importante per le lotte militari internazionali. La ricerca, lo sviluppo e l'utilizzo dell'oceano sono inseparabili dalle onde sonore. Le onde sonore sono l'unico vettore di informazioni che può percorrere lunghe distanze nell'oceano. L’esplorazione e lo sviluppo delle risorse marine, il trasduttore di comunicazione subacquea e la navigazione delle navi, il rilevamento e il riconoscimento di bersagli subacquei, il monitoraggio ambientale e la previsione dei disastri naturali e così via si basano tutti sulla tecnologia acustica subacquea per ottenere risultati. Lo sviluppo della tecnologia acustica subacquea richiede il supporto di tutti i tipi di trasduttori acustici subacquei. La missione dei trasduttori acustici subacquei è quella di trasmettere e ricevere onde sonore sott'acqua, quindi sono chiamati 'occhi e orecchie delle apparecchiature acustiche subacquee', che si possono dire essere trasduttori acustici subacquei. La nascita di 'H' segna l'inizio dello sviluppo della tecnologia idroacustica. Il progresso tecnico dei trasduttori idroacustici è un prerequisito importante e una base per il rapido sviluppo della tecnologia idroacustica(1)

 

IL Il trasduttore acustico subacqueo non è un semplice argomento isolato, ma un campo tecnico multidisciplinare. Le materie strettamente correlate includono principalmente: fisica, scienza dei materiali, matematica, meccanica, elettronica, chimica, scienze meccaniche, ecc., quindi acustica subacquea Sebbene il trasduttore abbia solo una storia di più di cento anni di sviluppo, ora è diventato un campo tematico vivace. L'urgente necessità nel campo della tecnologia idroacustica è la forza trainante diretta per lo sviluppo di trasduttori idroacustici, e lo sviluppo di materiali funzionali e il progresso tecnologico sono la base materiale più importante per lo sviluppo di trasduttori idroacustici. Nel corso della storia dello sviluppo dei trasduttori idroacustici, al fine di soddisfare al meglio i requisiti tecnici sempre crescenti nel campo dell'idroacustica, i materiali funzionali corrispondenti vengono costantemente aggiornati. Le persone hanno effettuato ricerche applicative speciali sulle caratteristiche di vari materiali funzionali e progettato nuove tecnologie e sono state proposte nuove strutture, che hanno migliorato e potenziato le prestazioni tecniche complete del trasduttore, che ha consentito un flusso infinito di risultati di ricerca innovativi sul trasduttore. L'autore seleziona alcuni esempi tipici di ricerca di trasduttori di lancio, analizza e riassume le idee innovative di questo lavoro di ricerca da diverse angolazioni e spera di fornire ai giovani studiosi una certa guida e illuminazione ed esplorare attivamente gli aspetti profondi del lavoro di ricerca classico.

 

1. Innovazione tecnica del trasduttore acustico subacqueo basato su materiali funzionali

 

Nel 1915, Paul Langevin della Francia e altri usarono un trasmettitore a condensatore e un ricevitore di particelle di carbonio per condurre esperimenti acustici subacquei. Questi due dispositivi di trasmissione e ricezione dovrebbero essere primitivi trasduttori acustici subacquei; 1917 ～ 1918 Langevin Zhiwan progettò e migliorò il trasduttore al quarzo. Il suo vibratore è composto da diverse piastre di quarzo piezoelettriche inserite tra due spesse piastre di acciaio. Questa struttura è chiamata trasduttore Langzhiwan. Poiché il quarzo naturale non può soddisfare la domanda sempre crescente, si è scoperto che il sale di Rochelle in cristallo piezoelettrico sintetico solubile in acqua ha un effetto piezoelettrico più forte del quarzo, ma il suo problema di stabilità limita l'ambito di applicazione e la piezoelettricità è leggermente inferiore. I cristalli di ammonio diidrogeno fosfato (ADP), grazie alle loro proprietà relativamente stabili, furono ampiamente utilizzati durante la seconda guerra mondiale. Nel 1920 l'effetto magnetostrittivo fu applicato ai trasduttori acustici subacquei; nel 1925 furono progettati e applicati trasduttori magnetostrittivi al nichel; nel 1931, lo studio approfondito delle lamine sottili di nichel portò al rapido sviluppo dei trasduttori magnetostrittivi. E gradualmente sostituì i trasduttori a cristallo piezoelettrici; nel 1944, si scoprì che le ceramiche al titanato di bario hanno una forte piezoelettricità dopo la polarizzazione e la sua perdita è molto inferiore a quella dei materiali magnetostrittivi. Successivamente, i trasduttori ceramici piezoelettrici al titanato di bario si sono sviluppati rapidamente; la ceramica polarizzata di zirconato titanato di piombo (PZT) scoperta nel 1954 ha una piezoelettricità più forte. Ad oggi, le ceramiche piezoelettriche PZT sono ancora i principali materiali funzionali dei trasduttori acustici subacquei.

 

Negli anni '70, la Dr. Clark AE negli Stati Uniti sviluppò la lega ternaria magnetostrittiva gigante delle terre rare Terfenol-D. Dagli anni '90, i materiali monocristallini ferroelettrici rilassanti PZN-PT e PMN con proprietà elettriche ad alta tensione e alta densità di energia -PT sono stati scoperti uno dopo l'altro e sono state fatte nuove scoperte nella ricerca applicativa di questi tre materiali. Questa sezione si concentrerà sui risultati della ricerca di questi nuovi trasduttori in materiale funzionale.

 

⒈Una nuova generazione di materiali magnetostrittivi e relativi trasduttori

La nuova generazione di materiali magnetostrittivi comprende materiali in leghe di terre rare e materiali in leghe di metalli rari. Il gigantesco effetto magnetostrittivo dei materiali in lega di terre rare è stato scoperto per la prima volta in condizioni di bassa temperatura. La deformazione magnetostrittiva più alta del materiale Tb0.6Dy0.4 a 77K è dello 0,65% e la deformazione magnetostrittiva più alta del Terfenol-D a temperatura ambiente è dello 0,25%. Esistono documenti che dimostrano che è stato sviluppato un trasduttore longitudinale magnetostrittivo a doppio pistone azionato da una bobina superconduttrice. L'asta magnetostrittiva in lega di terre rare (terbio-disprosio) viene collocata in una stanza climatizzata (temperatura 50-60 K) e la torre di raffreddamento viene fatta circolare e raffreddata dalla torre di raffreddamento del frigorifero. Nella stanza, una bobina di materiale superconduttore fornisce un campo magnetico di polarizzazione CC e un campo magnetico di eccitazione per eccitare l'asta magnetostrittiva per generare vibrazioni di allungamento e trasmetterle alla superficie radiante a pistone attraverso il pezzo di transizione meccanica. La superficie radiante a pistone spinge il mezzo acquoso per generare onde di pressione per la radiazione. 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: la frequenza di risonanza è 430 Hz, il livello massimo della sorgente sonora è 181,4 dB e l'efficienza è di circa il 25%. Questo Il trasduttore idrofono subacqueo complica il processo di fabbricazione per ottenere condizioni di lavoro a bassa temperatura. Negli ultimi anni, le persone sono disposte a utilizzare il materiale Terfenol-D che funziona a temperatura ambiente per semplificare il processo di produzione, ottenendo allo stesso tempo eccellenti prestazioni di radiazione con una nuova struttura.

 

Si tratta del trasduttore trasmettitore ottagonale guidato da Terfenol-D completato da Butler pari al 1980. 16 barre di terre rare sono disposte in due strati e 8 barre di terre rare in ogni strato sono collegate in un ottagono attraverso un blocco di transizione a forma di cuneo e formano un circuito magnetico chiuso, il blocco di transizione è collegato con la superficie radiante di una parte del cilindro (vicino all'angolo centrale di 45°) e la barra di terre rare è precompressa tramite fili di sollecitazione ad alta resistenza tra i blocchi di transizione. La precompressione interna dell'asta di terre rare è di circa 13,8 MPa e la frequenza di risonanza del trasduttore nell'acqua è stata di 775 Hz, sono stati confrontati il ​​pilotaggio non lineare in condizioni di campo magnetico polarizzato DC e la condizione di campo imparziale e il livello della sorgente sonora è stato realizzato rispettivamente di 189,8 dB nella condizione di campo magnetico polarizzato DC e di 196,2 dB nella condizione di pilotaggio non lineare non polarizzato.