Innovazione tecnologica nello sviluppo di trasduttori acustici subacquei(2)

     Innovazione tecnologica nello sviluppo di trasduttori acustici subacquei(2)

La lega ferro-gallio (Galfenol) è un nuovo tipo di materiale magnetostrittivo emerso negli ultimi anni. La sua tensione magnetostrittiva è compresa tra nichel e Terfenol-D, a 300 ppm (ppm è una microvariabile, che rappresenta ΔL/L=10-6). In alto, rispetto al Terfenol-D, presenta i vantaggi di una maggiore permeabilità relativa (>100), buona lavorabilità, stabilità alle alte temperature ed elevata resistenza alla trazione. Poiché il materiale in lega di ferro-gallio ha buone prestazioni di lavorazione ed elevata resistenza meccanica, può essere utilizzato per progettare ed elaborare l'alloggiamento del trasduttore flessionale. La Figura 2b è un esempio di ricerca di un trasduttore flessionale a cilindro concavo con alloggiamento in lega di ferro-gallio. IL il trasduttore acustico subacqueo è azionato. Il vibratore è composto da elementi in lega di ferro-gallio da Φ20mm×40mm e fogli di magneti permanenti al neodimio-ferro-boro e forma un circuito magnetico chiuso con il guscio radiante. I risultati sperimentali mostrano che la risposta alla corrente di emissione del trasduttore è di 168,4 dB (frequenza di risonanza 1750 Hz), che è migliore del duralluminio della stessa dimensione geometrica. Il trasduttore dell'alloggiamento (frequenza di risonanza 1900 Hz) è migliorato di quasi 5 dB, il che riflette i vantaggi progettuali dell'alloggiamento attivo.

 

Pubblicati nel 2000, i risultati della ricerca del trasduttore longitudinale a banda larga con eccitazione congiunta magnetostrittiva-piezoelettrica. Il trasduttore longitudinale è guidato congiuntamente dall'unità Terfenol-D e dallo stack PZT, che realizza il funzionamento a banda larga dell'accoppiamento del doppio picco di risonanza da 1,8 KHz e 3,5 KHz. Caratteristiche, la letteratura ha anche riportato che l'array planare ad alta potenza 4×4 composto da questo tipo di trasduttore, il livello della sorgente sonora dell'array è maggiore di 225 dB nella banda di frequenza 1,5-6kHz.

 

Trasduttore longitudinale di azionamento multi-unità Terfenol-D, l'autore ha progettato ingegnosamente l'unità di azionamento, la sua struttura utilizza un manicotto a magnete permanente per applicare un campo magnetico di polarizzazione per separare il campo magnetico statico dal circuito magnetico dinamico e il magnetico dinamico. Gli elementi a magnete permanente con bassa permeabilità vengono evitati sulla strada e l'effetto di guida dell'energia del campo magnetico viene aumentato; è lo schema fisico dell'unità di azionamento. 4 di tali unità motrici sono collegate meccanicamente in serie per formare una sostituzione longitudinale a bassa frequenza con la copertura anteriore e la massa della coda. Il dispositivo energetico, la vite centrale è precompressa; La Fig. 3c è l'immagine reale del trasduttore dopo l'imballaggio, la frequenza di risonanza del trasduttore è 1,6kHz e il livello della sorgente sonora è 177bB.

 

La progettazione del circuito magnetico del trasduttore magnetostrittivo è molto importante. Butler ha preso come esempio il trasduttore flessionale a barilotto concavo e ha confrontato gli effetti di lavoro di sei schemi di circuiti magnetici attraverso l'analisi degli elementi finiti. Le strutture dei circuiti magnetici di Fig. 4a-f sono rispettivamente .barra continua di terre rare più copertura terminale e manicotto accessorio permeabile magneticamente in ferro puro, barra continua di terre rare più copertura terminale accessoria permeabile in ferro puro, barra continua di terre rare senza accessorio permeabile al ferro puro, combinazione di barra di terre rare e pezzo di magnete permanente più copertura terminale e manicotto di attacco permeabile in ferro puro, combinazione barra di terre rare e pezzo di magnete permanente più copertura terminale accessoria permeabile magneticamente di ferro puro, combinazione barra di terre rare e pezzo di magnete permanente senza accessorio magnetico permeabile in ferro puro, l'accoppiamento elettromeccanico efficace i coefficienti calcolati sono rispettivamente 0,33, 0,30, 0,27, 0,23, 0,21 e 0,20, indicando che il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico effettivo del vibratore di terre rare viene modificato da un'asta continua di terre rare a un'asta di terre rare combinata con un foglio di magnete permanente. I cappucci terminali e i manicotti degli accessori permeabili magnetici in ferro puro hanno un certo effetto sul miglioramento delle prestazioni di accoppiamento elettromeccanico del vibratore di terre rare, ma per l'azionamento di materiali con bassa permeabilità relativa come Terfenol-D, il miglioramento è piccolo e il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico effettivo è determinato da 0,20 a 0,23 o da 0,27 a 0,33.

 

 

2.Una nuova generazione di materiali piezoelettrici e loro trasduttori

Fino alla prima metà del XX secolo tutti i materiali piezoelettrici erano cristalli singoli. Il titanato di bario ceramico piezoelettrico policristallino fu scoperto per la prima volta negli anni '50, seguito dal titanato di zirconato di piombo (PZT) negli anni '60. Le prestazioni di queste ceramiche piezoelettriche superano di gran lunga quelle dei primi cristalli singoli e da allora il PZT è diventato il principale materiale funzionale dei trasduttori acustici subacquei.

A metà degli anni '90, furono scoperti i nuovi monocristalli piezoelettrici piombo magnesio niobato-titanato-piombo (PMN-PT) e piombo-zinco niobato-titanato-piombo (PZN-PT), questi due materiali piezoelettrici monocristallo hanno una deformazione di saturazione molto elevata (più dell'1%), basse perdite e un elevato coefficiente di accoppiamento piezoelettrico (maggiore di 0,9), mostrando i potenziali vantaggi dell'aumento di potenza e dell'ampliamento della banda di frequenza in direzione dell'immersione subacquea. trasduttore acustico. Negli ultimi anni, il materiale piezoelettrico monocristallino piezoelettrico piombo ternario piombo niobato di indio-piombo niobato di magnesio-titanato di piombo (PIN-PMN-PT) e piombo drogato con manganese niobato di indio-piombo niobato di magnesio-titanato di piombo (Mn: PIN-PMN-PT), che migliora ulteriormente le caratteristiche di funzionamento in condizioni di campo elettrico elevato.

L'applicazione di materiali piezoelettrici monocristallini come PMN-PT nel campo dell'acustica subacquea è iniziata dalla progettazione e sviluppo di trasduttori longitudinali. Meyer e altri hanno svolto una serie di lavori di ricerca, inclusa un'analisi dettagliata dei trasduttori longitudinali PMN-PT a 33 e 32 modalità e uno studio comparativo con PZT-8. La Figura 5a è un trasduttore longitudinale a 33 modalità azionato da uno stack di 10 wafer PZT-8, la Figura 5b è un trasduttore longitudinale a 33 modalità azionato da uno stack di 3 wafer PMN-PT e la Figura 5c è un trasduttore a 4 PMN-PT. Le lunghe strisce formano un trasduttore longitudinale a 32 modalità a forma di 'bocca'. I risultati mostrano che quando PMN-PT e PZT-8 vengono utilizzati per realizzare trasduttori longitudinali con la stessa frequenza, livello di sorgente di emissione e altri parametri, il cristallo PMN-PT. La lunghezza dello stack è solo circa il 30% di PZT-8, il che mostra i vantaggi tecnici dei materiali monocristallini piezoelettrici per realizzare piccoli trasduttori; la modalità 32 può far sì che i materiali monocristallini vengano tagliati secondo il miglior orientamento prestazionale e allo stesso tempo utilizzare la combinazione di strisce lunghe. Può evitare problemi tecnici come la crescita di wafer singoli di grandi dimensioni, migliorare l'affidabilità e la coerenza del trasduttore e presenta evidenti vantaggi per le applicazioni di array sonar leggeri a media e alta frequenza.

Il cristallo singolo ha sviluppato a trasduttore di trasmissione cilindrico composto da anelli intarsiati. Ogni anello è composto da 12 strisce a forma di cuneo e 9 anelli sono assemblati strettamente in direzione assiale per formare un cilindro. La dimensione geometrica (Φ20,3 mm×66 mm) è significativamente più piccola del trasduttore ceramico piezoelettrico della stessa frequenza e realizza le caratteristiche di funzionamento a banda larga di oltre 2,5 ottave. Un altro documento utilizza il cristallo singolo PMN-PT per sviluppare un trasduttore flessionale a barilotto concavo. Il vibratore di azionamento del trasduttore è composto da una pila di 16 elementi polarizzati assialmente Φ28mm×Φ10mm×4,8mm e un guscio vibrante in lega di titanio. La risposta alla tensione di emissione è migliorata di oltre 5 dB rispetto al trasduttore con la stessa struttura in materiale PZT-4.

La temperatura di transizione di fase trigonale-tetragonale del monocristallo PMN-PT è relativamente bassa, il che ne limita in una certa misura il campo di applicazione, soprattutto per applicazioni in condizioni di alta potenza. Il piombo ternario, il niobato di indio, il niobato di magnesio, il titanato di piombo (PIN-PMN-PT) e il monocristallo drogato con manganese (Mn: PIN-PMN-PT) rendono evidente la temperatura di transizione di fase del monocristallo ferroelettrico rilassante. Aumenta e riduce notevolmente il fattore di perdita allo stesso tempo: la temperatura di transizione di fase viene aumentata da 95°C a 125°C, il fattore di perdita viene ridotto da 0,26 a 0,15 e il fattore di perdita è solo 1/2 rispetto alla normale ceramica piezoelettrica PZT-4. Esiste anche letteratura che utilizza questi due cristalli singoli di nuova formula, PMN-PT e PZT-4 per realizzare trasduttori longitudinali e confrontare le loro caratteristiche operative ad alta potenza, il che dimostra che il materiale a cristallo singolo di nuova formula è più adatto per condizioni di alta potenza e grandi cicli di lavoro. Il livello della sorgente sonora del trasduttore PMN-PT è 5 dB superiore a quello del trasduttore PMN-PT alla frequenza di risonanza. Rispetto alla ceramica piezoelettrica PZT-4, il livello della sorgente sonora e la capacità di potenza alla frequenza di risonanza sono sostanzialmente equivalenti, la larghezza di banda operativa è aumentata di 1 volta e il livello massimo della sorgente sonora al di fuori della frequenza di risonanza è aumentato di circa 6 dB.

 

La ricerca applicativa del materiale monocristallino PMN-PT si concentra principalmente sul sistema di imaging medico ad ultrasuoni ad alta frequenza. Ecco solo un caso di ricerca sull'applicazione del trasduttore idroacustico Cymbal, utilizzando un elemento PMN-PT da Φ12,7 mm x 1 mm per pilotare titanio spesso 0,25 mm. Il cappuccio vibrante di flessione in lega ha sviluppato un trasduttore di tensione di flessione di piccole dimensioni di tipo Cymbal, che ha una risposta alla tensione di emissione più elevata di 6 dB rispetto al trasduttore pilotato PZT-4 con la stessa struttura.

 

2. Innovazione tecnica della struttura e della tecnologia dei trasduttori acustici subacquei

⒈Innovazione tecnica per migliorare le caratteristiche del fascio

Nei sonar moderni, vengono generalmente utilizzati vari array di base per ottenere le caratteristiche del raggio richieste. Tuttavia, quando l'apertura di installazione del trasduttore è limitata e vi sono requisiti speciali per le caratteristiche del raggio, è necessario adottare misure tecniche per controllare le caratteristiche del raggio del trasduttore. I principali approcci tecnici per il miglioramento includono: applicazione del baffle, tecnologia di sovrapposizione modale utilizzando dipoli e multipoli, ecc. Questa sezione seleziona alcuni esempi tipici di ricerca, concentrandosi sull'analisi e sulla sintesi dell'uso dei metodi di sovrapposizione modale per migliorare le caratteristiche del fascio del trasduttore. Risultati tecnici.

⑴Utilizzo del deflettore per migliorare le caratteristiche del raggio del trasduttore

Nei primi sistemi sonar veniva generalmente utilizzato un trasduttore indipendente. Quando la direttività non può soddisfare i requisiti, la riflessione del deflettore viene utilizzata per controllare il fascio di trasmissione, che comprende principalmente il passaggio attraverso un deflettore piatto, un deflettore cilindrico e un deflettore sferico. Il deflettore a piastra e cono per modificare la direttività di trasduttori cilindrici, trasduttori a pistone, trasduttori sferici, ecc., soddisfa in una certa misura le esigenze di controllo del fascio di trasmissione unidirezionale, come mostrato nella Figura 6, l'uso di doppi coni. Il deflettore riflettente regola la direttività del trasduttore toroidale magnetostrittivo e realizza la caratteristica di radiazione del fascio su un solo lato.

 

Esiste una letteratura secondo cui il trasduttore flessionale di tipo IV da 3 kHz è posizionato vicino al fuoco del deflettore del riflettore parabolico, in modo che il trasduttore flessionale di tipo IV con la propria non direzionalità possa ottenere caratteristiche di radiazione unidirezionale. L'esperimento ottiene un angolo di apertura ad angolo singolo di 83°. Per il raggio, la differenza di risposta anteriore e posteriore è di 21 dB.

⑵ Trasduttore direzionale a combinazione modale

Vari trasduttori strutturali hanno diverse modalità di vibrazione multiordine. I trasduttori risonanti generalmente funzionano in base alla modalità di vibrazione della frequenza fondamentale. Diverse modalità di vibrazione corrisponderanno ai loro metodi di eccitazione effettivi, quindi è possibile utilizzare una combinazione di metodi di eccitazione. Realizzare la guida sovrapposta di più modalità di vibrazione, in modo da raggiungere lo scopo di modificare le caratteristiche del raggio di trasmissione. Le modalità principali che possono modificare le caratteristiche del fascio del trasduttore attraverso la combinazione includono la modalità monopolare, la modalità dipolo e la modalità quadrupolo, ecc. Queste modalità di base possono ottenere una varietà di modelli di direttività attraverso la combinazione ponderata. In questa sezione, insieme ai risultati specifici della letteratura, vengono fatti una breve analisi e un riassunto della tecnologia di elaborazione e dei metodi di eccitazione di diversi trasduttori strutturali per ottenere la sovrapposizione modale.

Il lavoro multimodale di eccitazione generalmente adotta il metodo di eccitazione partizionata, come ad esempio: il tubo ceramico piezoelettrico o il guscio sferico adotta spesso il metodo dell'elettrodo diviso, vedere Figura 7a, b; Trasduttore poligonale magnetostrittivo ( anello), adotta l'eccitazione del bordo indipendente.

 

Butler et al. ha progettato e sviluppato un 'trasduttore modale', utilizzando ancora l'idea progettuale dell'eccitazione della partizione, ma superando la limitazione della divisione di componenti indipendenti, utilizzando 8 vibratori indipendenti da 1/4 longitudinale per condividere la massa della coda, ciascun trasduttore. La superficie radiante è una superficie ad arco cilindrico vicino a 45° e racchiudono collettivamente un trasduttore emettitore cilindrico partizionato e azionato in modo indipendente. La dimensione geometrica del trasduttore non è limitata dalle condizioni di processo degli elementi indipendenti e allo stesso tempo viene adottata la direzione longitudinale della struttura precompressa. Il vibratore presenta vantaggi tecnici per la progettazione di trasduttori di trasmissione direzionali a bassa frequenza e ad alta potenza. La Figura 8 mostra le forme di vibrazione modale di base del 'trasduttore modale'. Sono stati progettati e sviluppati rispettivamente trasduttori modali basati su ceramica piezoelettrica PZT-8, cristallo singolo PMN-PT e materiali magnetostrittivi giganti Terfenol-D. Ha ottenuto un fascio di trasmissione direzionale cardioide con un indice di direttività di 6 dB e una differenza di 25 dB nella risposta fronte-retro.

 

È un altro tipo di trasduttore di emissione direzionale a bassa frequenza e ad alta potenza: un trasduttore flessionale con eccitazione zonale. Nella progettazione, lo stack piezoelettrico (o vibratore magnetostrittivo) del trasduttore flessione-tensione è soggetto a eccitazione zonale, utilizzando la combinazione delle modalità monopolo e dipolo è sovrapposta per formare un fascio di emissione direzionale cardioide. La Figura 9a è un trasduttore flessionale di tipo IV con direttività a 900 Hz e la Figura 9b è un trasduttore flessionale di tipo VII con direttività a 3kHz.

La letteratura studia un trasduttore cilindrico multimodale a banda larga con un deflettore (mostrato in Figura 10). Gli elettrodi del tubo cilindrico ceramico piezoelettrico sono equamente divisi in due gruppi ed eccitati indipendentemente per ottenere un monopolo (modalità 0) e un dipolo (modalità 1), quindi cooperano con il deflettore per realizzare l'emissione direzionale unilaterale. Il lavoro di ricerca utilizza anche la relazione di fase tra i modi per progettare un amplificatore di potenza e un circuito di sintonizzazione indipendenti, attraverso la bassa frequenza '0+1' e l'alta frequenza '0 + 1'. －1' Il controllo combinato modale realizza caratteristiche di lavoro a banda larga. Il trasduttore adotta 4 tubi tondi piezoelettrici PZT-4 di Φ38,2 mm×Φ31,8 mm×19 mm nella direzione dell'altezza e le dimensioni dopo l'imballaggio sono Φ48 mm×79 mm. Il deflettore è costituito da due pezzi di gomma di sughero laminati per formare un semicerchio. La superficie cilindrica ha uno spessore di 6 mm e l'emissione la risposta in tensione fluttua di 6 dB nella banda di frequenza 26-46 kHz.

2.Innovazione tecnica per migliorare le caratteristiche di frequenza

Con l'estensione multidirezionale della direzione di applicazione della tecnologia acustica subacquea, la gamma di frequenze di lavoro dei sistemi sonar attivi è stata continuamente ampliata. Tra questi, la frequenza di lavoro del sonar con immagini ad alta risoluzione è stata aumentata a 106 Hz e la banda di frequenza di lavoro del sonar di rilevamento e comunicazione a distanza ultra lunga è ancora più bassa. Al di sotto di 100 Hz; d'altro canto, lo sviluppo dell'elaborazione delle informazioni sonar richiede che la banda di frequenza di lavoro del trasduttore sia la più ampia possibile. Pertanto, negli ultimi anni i trasduttori a bassa frequenza e i trasduttori a banda larga hanno attirato molta attenzione nel campo dell’acustica subacquea, e i risultati della ricerca sono piuttosto ricchi. Tuttavia, ci sono ancora molti problemi teorici e tecnici che non sono stati risolti bene. Questo aspetto continuerà ad essere il punto focale della ricerca e il fulcro dello sviluppo futuro. Questa sezione seleziona il lavoro di ricerca nella direzione dei trasduttori a bassa frequenza e dei trasduttori a banda larga, li analizza e li riassume. Idee innovative e nuove conquiste tecnologiche.

⑴ Design innovativo del trasduttore a bassa frequenza

①Trasduttore di vibrazione a bassa frequenza di flessione

Il primo problema tecnico affrontato dallo sviluppo dei trasduttori a bassa frequenza è la dimensione geometrica. Generalmente, la frequenza di lavoro dei trasduttori risonanti è inversamente proporzionale alla dimensione geometrica, ovvero minore è la frequenza del trasduttore, maggiore è la dimensione geometrica, ad esempio una conversione longitudinale di 500 Hz. La lunghezza del dispositivo energetico è di circa 3 m. La vibrazione di flessione può ridurre efficacemente la dimensione geometrica dei trasduttori a bassa frequenza. Tra questi, i trasduttori i cui dispositivi funzionali partecipano direttamente alla vibrazione flettente includono principalmente trasduttori a raggio flettente, trasduttori a disco flettente, ecc.

La Figura 11a mostra una tipica struttura di trave flettente a tre strati. Un pezzo di strisce di ceramica piezoelettrica viene incollato sulla parte superiore e inferiore della trave di piegatura. Quando una delle strisce di ceramica piezoelettriche si allunga e l'altra si contrae quando eccitata, la trave metallica al centro produrrà vibrazioni di flessione. Questo tipo di conversione dell'energia Il dispositivo deve essere esposto all'acqua su un lato per irradiare le onde sonore, quindi solitamente diversi raggi curvi vengono combinati per formare una cavità d'aria, come mostrato nella Figura 11b, ciascuna superficie radiante vibra in fase.

 

Un principio di funzionamento simile è chiamato trasduttore a disco curvo con struttura a disco, che comprende anche una struttura a tre strati e doppio laminato. La Figura 11c mostra un trasduttore a disco curvo compatto composto da una coppia di fogli a doppio laminato. (Bender). L'analisi del sistema Delany ha studiato le caratteristiche operative di Bender a bassa frequenza, dimensioni ridotte e alta potenza.

Lo sviluppo di trasduttori di vibrazione flessionale a bassa frequenza include anche un nuovo trasduttore toroidale a struttura divisa (mostrato nella Figura 12). Il trasduttore toroidale diviso può essere considerato come uno speciale trasduttore a fascio flettente. La struttura originale fu proposta da Harris nel 1957. La trave ad anello composito era composta da un anello ceramico piezoelettrico interno e un anello metallico esterno. La modellazione e l'analisi del trasduttore si sono basate sul 'modello del diapason' mostrato nella Figura 12b e l'elemento di guida è stato adattato a una struttura divisa. Il trasduttore ad anello diviso può essere progettato con dimensioni maggiori e la massa può essere regolata attraverso la rigidità della distribuzione dello spessore per ottenere l'ottimizzazione della frequenza operativa e delle caratteristiche di radiazione, come mostrato nella Figura 12c.

 

②Trasduttore di tensione-flessione

Il concetto del trasduttore flessionale è iniziato dal brevetto di Hayes nel 1936. Dopo che Toulis pubblicò il brevetto del trasduttore flessionale di tipo IV nel 1966, la ricerca e l'applicazione del trasduttore flessionale iniziarono ad essere attive, e finora ce ne sono state più della metà. Nel secolo di storia dello sviluppo sono nate varie forme strutturali di trasduttori flessionali e i loro principi di funzionamento e processi strutturali sono ricchi di idee progettuali innovative. Non possiamo presentarli uno per uno nell'ordine cronologico del loro sviluppo, solo i trasduttori flessotensi. La struttura e le modalità di incentivazione dell'azienda sono suddivise nelle seguenti tre categorie, che vengono brevemente analizzate e riassunte.

△Trasduttore di tensione-flessione con struttura cilindrica. Questo tipo di trasduttore è azionato da un vibratore telescopico longitudinale per traslare il guscio di vibrazione flessibile, come mostrato nella Figura 13. Il guscio vibrante del trasduttore è una struttura traslazionale, cioè una superficie cilindrica di varie forme, azionata da uno o più vibratori telescopici longitudinalmente, a è un trasduttore flessionale di tipo IV, b è un trasduttore flessionale di tipo VII Dispositivo energetico, c è un trasduttore di tensione di flessione 'a forma di stella' azionato da un piezoelettrico ortogonale stack e un trasduttore di tensione a flessione 'a forma di stella' azionato da un vibratore magnetostrittivo quadrilatero. Poiché è facile progettare con questo tipo di trasduttore un vibratore ad eccitazione ripartita, il trasduttore di flessione direzionale descritto sopra generalmente sceglie questo tipo di struttura.

△Trasduttore di tensione-flessione con corpo rotante lungo. Questo tipo di trasduttore è azionato da un vibratore telescopico longitudinale per azionare un guscio vibrante a flessione rotazionalmente simmetrico, come mostrato nella Figura 14. Il guscio vibrante del trasduttore è una struttura rotazionalmente simmetrica, comprendente una serie di travi a botte distribuite lungo la circonferenza, che sono generalmente azionate da un vibratore telescopico longitudinale. Le Figure 14a e b sono le forme convesse del trasduttore flessionale di tipo I Struttura e struttura concava; come mostrato nella Figura 14c, il vibratore di eccitazione longitudinale del trasduttore viene allungato in direzione assiale per aumentare il volume del materiale funzionale per svilupparsi in un trasduttore flessotensivo di tipo II; come mostrato nella Figura 14d, il guscio di vibrazione flessibile è progettato sotto forma di due o più sezioni, è sviluppato in un trasduttore flessionale di tipo III. Entrambi i trasduttori flessionali di tipo II e di tipo III hanno strutture concave corrispondenti.

△Trasduttore di tensione-flessione con corpo piatto rotante. Questo tipo di trasduttore è azionato da un vibratore ad espansione radiale per azionare un guscio di vibrazione flettente a simmetria rotazionale, come mostrato nella Figura 15. Il guscio vibrante del trasduttore è una struttura a simmetria rotazionale, generalmente una coppia di corone sferiche convesse o concave (o corone sferiche), azionate da un anello o vibratore a disco ad espansione radiale, la Figura 15a mostra il trasduttore flessionale di tipo V Drive Drive, b è un trasduttore flessionale di tipo V guidato da wafer, c è un trasduttore flessionale di tipo VI, d ed e sono piccoli trasduttori flessionali sviluppati sulla base della struttura b Il dispositivo è chiamato trasduttore flessografico.

△ Trasduttore a bassa frequenza con struttura a cavità. Il risonatore di Helmholtz è la forma base del trasduttore acustico subacqueo con struttura a cavità, come mostrato nella Figura 16. a, b e c sono le tre strutture di base dei risonatori di Helmholtz, che utilizzano l'eccitazione del tubo ceramico piezoelettrico, l'eccitazione del disco flessibile e l'eccitazione della sfera ceramica piezoelettrica. I risonatori di Helmholtz hanno generalmente una banda di frequenza di lavoro stretta e d viene utilizzato sulla base di b. Le doppie superfici di lavoro del disco curvo eccitano le cavità risonanti di volumi diversi per realizzare l'operazione di doppia risonanza. La letteratura ha stabilito un modello di analisi del risonatore di Helmholtz più completo e ha analizzato la relazione tra le caratteristiche di funzionamento e i parametri strutturali del risonatore di Helmholtz da 300 HZ. Morozov et al. ha progettato una sorgente sonora di organo a canne subacqueo (mostrato nella Figura 17). Il progetto della Figura 17a realizza la sintonizzazione della frequenza spostando il manicotto per modificare l'impedenza del sistema di risonanza. La frequenza di sintonizzazione varia da 225 a 325 Hz e l'efficienza arriva fino all'80% o più, riflettendo il sistema ad alto Q (fattore di qualità) con caratteristiche di alta efficienza; Figura 17b Il progetto utilizza una struttura a doppio tubo con una sorgente sonora sferica incorporata per ottenere una risonanza a doppia frequenza. La risonanza a bassa frequenza è una cavità di risonanza composta da un manicotto a doppia sezione. La risonanza ad alta frequenza è solo la risonanza corrispondente al tubo di risonanza interno. Il manicotto esterno e il tubo di risonanza interno possono utilizzare alluminio metallico o materiali in fibra di carbonio non metallici.

⑵ Design innovativo del trasduttore a banda larga

Nella storia dello sviluppo della tecnologia acustica subacquea, sono state prodotte una varietà di forme strutturali di trasduttori acustici subacquei, ciascuna con caratteristiche di funzionamento determinate dalle sue caratteristiche strutturali. Per adattarsi alle esigenze ingegneristiche delle applicazioni a banda larga, quasi tutti i trasduttori strutturali devono affrontare i problemi tecnici della progettazione della banda larga e del miglioramento dei processi. Tra questi, il trasduttore longitudinale è una delle forme strutturali di trasduttori più comuni nel campo della trasduttore subacqueo a banda larga . I risultati della ricerca sulla progettazione e applicazione della banda larga sono piuttosto ricchi. I principi tecnici della progettazione a banda larga di altri trasduttori strutturali sono sostanzialmente simili. Questa sezione si concentra su una serie di nuove idee di progettazione basate su trasduttori longitudinali per ottenere caratteristiche di banda larga.

① Trasduttore longitudinale a banda larga con combinazione di bande

L'applicazione della combinazione di bande di frequenza è già iniziata nella fase iniziale dello sviluppo della tecnologia sonar. I primi lavori furono visti negli anni '40. Tre trasduttori longitudinali magnetostrittivi con diverse frequenze di risonanza sono stati utilizzati per azionare una piastra radiante rettangolare e sei trasduttori disposti a scala. Guidato da una bobina di avvolgimento comune (mostrata nella Figura 18), le frequenze di risonanza indipendenti del trasduttore sono rispettivamente 21,5, 23 e 24,5kHz, Q=12 e Q=4 dopo la combinazione. Sebbene questo metodo di combinazione di bande di frequenza non sia strettamente un trasduttore a banda larga, è ancora ampiamente utilizzato nel campo dell'acustica subacquea, in particolare nei sistemi acustici come la simulazione del rumore e le esche acustiche. La combinazione di dispositivi realizza caratteristiche di emissione a banda ultralarga.

 

② Trasduttore longitudinale a banda larga con accoppiamento modale

Nell'analisi del modello unidimensionale si presuppone solitamente che la copertura anteriore del trasduttore longitudinale vibri come un pistone, ovvero non si verificano vibrazioni di flessione. Quando il corno della superficie radiante del trasduttore è relativamente ampio, deve essere accompagnato da vibrazione flettente, il che è ragionevole. Utilizzando la modalità vibrazione flettente del coperchio anteriore per accoppiarlo efficacemente con la modalità vibrazione longitudinale, è possibile progettare un trasduttore longitudinale a banda larga. La letteratura ha studiato l'effetto di accoppiamento della vibrazione flessionale e della vibrazione longitudinale della piastra di copertura radiante quadrata e ha progettato un trasduttore a banda larga. In un'altra letteratura, un disco vibrante e flessibile è incorporato nella copertura antiradiazione, e il disco flessibile è accoppiato con la modalità di vibrazione del trasduttore longitudinale, e il trasduttore a banda larga è progettato e sviluppato come mostrato nella Figura 19a. Lo stack piezoelettrico del trasduttore longitudinale può essere progettato in più gruppi. Come mostrato nella Figura 19b, è la struttura di base del trasduttore che utilizza l'accoppiamento modale a doppia eccitazione per ottenere il funzionamento a banda larga. Butler si basa sulla struttura del trasduttore longitudinale a doppia eccitazione. Sviluppo approfondito, come l'uso della doppia eccitazione ibrida magnetostrittiva e piezoelettrica per progettare un trasduttore longitudinale a banda larga e il coperchio anteriore per incollare uno strato di corrispondenza di 1/4 di lunghezza d'onda e progettare una modalità di risonanza del terzo ordine che accoppia un trasduttore longitudinale a banda ultralarga. Il dispositivo, come mostrato nella Figura 19c, ha una banda di frequenza di lavoro compresa tra 13 e 37kHz.

③Trasduttore longitudinale a banda larga accoppiato con cavità liquida

Il tipico disegno dell'accoppiamento tra il trasduttore longitudinale e la cavità del liquido è il trasduttore Janus-Helmholtz (mostrato in Figura 20). Il trasduttore longitudinale adotta una struttura radiante a doppia estremità, denominata Janus, con un manicotto cilindrico atto a formare una cavità risonante di Helmholtz tra le doppie teste radianti di Janus; il trasduttore risonante a cavità liquida generale ha una banda di frequenza di lavoro stretta. Nell'applicazione congiunta Janus, la trasmissione a banda larga può essere realizzata attraverso la progettazione ottimizzata dell'accoppiamento modale.

Gall ha progettato due trasduttori Janus-Helmholtz, 300 Hz e 160 Hz, e ha studiato in modo approfondito l'effetto dell'aggiunta di un tubo cedevole nella cavità risonante di Helmholtz sulle caratteristiche operative a banda larga del trasduttore.

⒊Innovazione tecnica per migliorare la potenza del suono emesso

Il modo diretto per aumentare la potenza sonora di un trasduttore acustico subacqueo è aumentare il volume del trasduttore, aumentare il numero e formare una matrice compatta. Il metodo più efficace è utilizzare materiali funzionali ad alta densità energetica. I capitoli precedenti hanno spiegato l'applicazione di materiali funzionali ad alta densità di energia. Questa sezione si concentra sulle innovazioni tecniche nella struttura e nel processo dei trasduttori ad alta potenza di piccolo volume.

Nel descrivere i vantaggi e gli svantaggi delle dimensioni ridotte e delle caratteristiche di elevata potenza del trasduttore, per misurare viene generalmente utilizzata la cifra di merito del volume, vale a dire

FOMv=Wa/V/f0/Q⑴

La formula ⑴ definisce il fattore di merito di volume di un certo tipo di trasduttore, dove: Wa è la potenza sonora (W), V è il volume del trasduttore (m3), f0 è la frequenza di risonanza (Hz), Q è il fattore di qualità, Il fattore di merito di volume del dispositivo è strettamente correlato alla struttura e ai materiali funzionali. Delany ha progettato e sviluppato un trasduttore a disco curvo compatto (Bender) e ha analizzato e studiato sistematicamente le caratteristiche di funzionamento del funzionamento a bassa frequenza, dimensioni ridotte e alta potenza di Bender.

 

 

Esistono letterature che progettano il trasduttore di tensione di flessione di tipo I a struttura concava (tipo a barilotto concavo) in una combinazione più compatta, che consente gruppi di trasduttori multipli in un volume limitato per massimizzare lo spostamento del volume e ottenere grandi caratteristiche di potenza, come mostrato nella Figura 21, l'apice di 6 trasduttori di flessione di tipo I sono raggruppati insieme per formare un trasduttore di flessione a 'stella tridimensionale a sei punte', che ha le caratteristiche di struttura compatta, bassa frequenza, alta potenza e ampia banda di frequenza: frequenza di risonanza fondamentale La risposta della tensione di trasmissione a 1,15 kHz è 127 dB, omnidirezionale e la risposta della tensione di trasmissione da 800 Hz a 10 kHz è maggiore di 120 dB. Il parametro FOMv non è riportato in letteratura e si prevede che sia equivalente o superiore al trasduttore flessotensivo 'a stella'.

La progettazione e l'analisi di cui sopra per il perseguimento di piccole dimensioni ed elevata potenza partono fondamentalmente dai limiti elettrici e meccanici e considerano solo la densità energetica dei materiali funzionali e il limite di vibrazione della struttura. Quando il trasduttore richiede impulsi lunghi o funzionamento continuo, il calore e la dissipazione del calore del trasduttore costituiranno il problema più grande in condizioni di alta potenza. In questo momento, il limite termico è il principale fattore che limita la potenza finale del trasduttore. Il limite termico del trasduttore è uno degli importanti problemi di base che riguardano l'ingegneria. Proprio come i dettagli del processo del trasduttore, non ci sono molti documenti di ricerca pubblicati pubblicamente. Esistono letterature per modellare e analizzare i problemi termici dei trasduttori a bassa frequenza e ad alta potenza e discutere i problemi di conduzione termica dei trasduttori flessionali Janus-Helmholtz e di tipo IV. Quando il trasduttore funziona in acque poco profonde, soprattutto a bassa frequenza e con trasmissione di potenza elevata, l'aumento della potenza sonora sarà limitato anche dal limite acustico del fattore di cavitazione. In questo contesto, il metodo di aumento della potenza di un singolo trasduttore non è più efficace. Anche l'array di base sarà limitato, in modo che esista un solo modo per formare un array di base sparso.

Pertanto, quando si progettano trasduttori a bassa frequenza e ad alta potenza, è necessario scegliere razionalmente la forma strutturale e i materiali delle funzioni di guida, tenendo conto di fattori quali limite elettrico, limite meccanico, limite termico e limite acustico, ed effettuare un'analisi complessiva e un'ottimizzazione completa. Esiste un rapporto ottimale tra la potenza limite e il volume del trasduttore. La ricerca approfondita su questo argomento sarà una delle direzioni tecniche dei trasduttori a bassa frequenza e ad alta potenza in futuro.

 

⒋Innovazione tecnologica per aumentare la resistenza alla pressione idrostatica

Attualmente, la comunità accademica ha proposto idee di sviluppo come oceani trasparenti e oceani informatizzati. L'obiettivo è consentire alla tecnologia informatica subacquea di coprire tutti gli angoli dell'oceano, comprese le regioni polari e le fosse abissali. Pertanto, propongono requisiti per l'uso più approfondito di trasduttori acustici subacquei. Metti alla prova anche la capacità di lavorare in mari profondi. La capacità di resistenza alla pressione idrostatica del trasduttore è strettamente correlata alla struttura del trasduttore, soprattutto per i trasduttori di emissione a bassa frequenza con bassa rigidità strutturale. La soluzione della tecnologia della struttura di resistenza alla pressione idrostatica è diventata un argomento importante nell'attuale campo della tecnologia dei trasduttori. Gli attuali metodi e mezzi efficaci per risolvere la profondità di lavoro includono principalmente il riempimento del fluido, il riempimento del fluido con adattamento del tubo conforme, il supporto strutturale naturale, la compensazione della bombola del gas ad alta pressione, la compensazione dell'airbag, ecc., A profondità di lavoro superiori a 1000 m, l'unico metodo tecnico efficace è la tecnologia di riempimento del fluido, incluso Il tipo a troppo pieno libero utilizza direttamente l'acqua di mare come fluido di riempimento o riempie alcuni mezzi di impedenza dell'olio per ottenere un equilibrio di pressione autostatico; entro 1000 m, il tubo di conformità resistente alla pressione può essere utilizzato contemporaneamente nella cavità del liquido per migliorare la conformità della cavità del liquido; Entro 200 m, il supporto naturale della struttura può resistere alla pressione idrostatica. Alcuni trasduttori con rigidità strutturale molto bassa (come i trasduttori a bobina mobile) possono utilizzare cilindri pneumatici ad alta pressione per fornire la compensazione della pressione. Generalmente, entro 100 m, è possibile utilizzare la compensazione dell'airbag. Il trasduttore a struttura di cavità introdotto sopra può generalmente essere progettato come una modalità di lavoro piena di fluido per ottenere lavori in acque profonde. In questa sezione vengono forniti diversi esempi di applicazione della progettazione di strutture riempite d'olio.

 

Il lavoro di ricerca Kendig di pubblicato nel 1965, prevedeva l'applicazione combinata di 4 trasduttori longitudinali piezoelettrici PZT-4 azionati da disco ceramico, riempiti con olio di silicone per proteggere il vuoto formato tra il guscio di acciaio (inclusa la piastra di gomma che trasmette il suono) e il trasduttore. La cavità è collegata alla camera del fluido posteriore. La gomma fonopermeabile della parte anteriore e il finestrino in gomma della parte posteriore sono a contatto con l'acqua di mare per ottenere l'equilibrio della pressione interna ed esterna. La larghezza di banda operativa del trasduttore è di 30-50kHz e il lavoro nell'intervallo di pressione idrostatica di 0-6,9 MPa è stato studiato sperimentalmente. Caratteristico, questo metodo di bilanciamento della pressione è ancora utilizzato in molti array di sonar di acque profonde. La Figura 22b mostra un trasduttore toroidale a trabocco libero con una struttura riempita d'olio. L'anello ceramico piezoelettrico è sospeso in un manicotto di gomma poliuretanica e l'interno è riempito con olio siliconico per ottenere l'equilibrio della pressione con il mondo esterno. Il manicotto in gomma poliuretanica è il materiale ideale per la trasmissione del suono, questo tipo di trasduttore ha caratteristiche di funzionamento simili alla forma di rivestimento per infusione diretta della gomma poliuretanica. Per il tubo tondo PZT-4 Φ 150 mm × Φ 140 mm × 50 mm, l'analisi di simulazione e lo studio sperimentale della gomma poliuretanica nell'intervallo di frequenza di 5 ～ 10 kHz. Il materiale del manicotto viene sostituito con lega di titanio o acciaio. Di conseguenza, la lega di titanio riduce la risposta alla tensione di emissione di circa 6 dB, mentre l'acciaio riduce la risposta alla tensione di emissione di circa 12 dB.

 

3. Conclusione

Osservando la storia centenaria dello sviluppo della tecnologia dei trasduttori, dalla nascita del primo trasduttore piezoelettrico al vigoroso sviluppo della moderna tecnologia dei trasduttori, sono spesso emerse innovazioni tecnologiche nei trasduttori acustici subacquei. Gli obiettivi principali dell'innovazione e dello sviluppo della tecnologia dei trasduttori includono: semplificare processi complessi, superare i colli di bottiglia tecnici, riscrivere i limiti tecnici, migliorare le prestazioni tecniche complete, proporre nuovi concetti e nuovi meccanismi, generare e sviluppare nuove direzioni tecniche e approfondire e perfezionare la teoria del sistema delle discipline dei trasduttori e così via. Questo articolo presenta alcuni casi di ricerca che riflettono il design innovativo e la squisita fattura del trasduttore dagli aspetti dell'applicazione di nuovi materiali, della nuova struttura e tecnologia del trasduttore, ecc.