新型水中音響トランスデューサと新技術のトランスデューサ

音波は、人間が持つ唯一の伝達手段であり、広大な海で長距離にわたって情報とエネルギーを伝達することができます。陸上では、人々は電磁波を使用してレーダーを開発しています。同様に、人々は音響波を情報媒体として使用して、探知用の水中ターゲットや、測位、識別、通信ソナー用の電子機器を開発しています。ソナーは広大な海に面し、広大な海の隅々まで到達し、そこにあるさまざまなものを識別し、人々に水中世界の素顔を伝え、人々の海の謎の探求を助ける重要な使命を担っており、水中通信航行、水産漁業、水産資源開発、海洋地質・地形探査などに利用されています。 音波が水中情報媒体として最適である理由は、水中媒体では音波が他の媒体に比べて減衰係数が最も小さいためです。電磁波などの他の物理的フィールドも同様であり、長距離にわたって送信される可能性があります。この利点により、最初から超音波を利用して水中を観測するソナーが作られています。目標は始まり、発展し続けます。現在、ソナーの使用周波数帯域は広範囲に拡張されています。アクティブソナーは数十Hzから数十MHzに拡張され、パッシブソナーの低周波端は超低周波音域まで拡張されました。このような広い周波数帯域において、信号の形で音波を刺激して生成し、水中で歪みなく音波を感知して受信する重要な装置は、規制に従ってソナートランスデューサまたはソナーアレイと呼ばれます。これらのデバイスは、ソナー システムのフロントエンド機器であるだけでなく、ソナー システムが水媒体と相互作用して情報を交換するための「窓」でもあり、ソナー トランスデューサやソナー アレイなどのソナー システムの機能の「実現器」でもあり、ソナー システムの「目と耳」とはっきりと呼ばれています。ソナー技術の応用分野が継続的に拡大し、軍事対決や戦闘の需要がますます増大するにつれて、新しい原理、新しい技術、新しいソナー装置が次々と登場しています。新しいソナー技術の開発要件により、トランスデューサ技術の急速な発展が促進され、トランスデューサの分野でも同様の技術的進歩があり、新しい材料、新しい機構、新しい構造の開発が行われています。 水中音響トランスデューサもソナー システムを「すっきり」させました。ここでは、近年のトランスデューサ技術の開発状況を、筆者の知る限りの知識と限られた理解に基づいて簡単に概観します。これには主に、新素材の水音響トランスデューサー、新構造および新機構の水音響トランスデューサー、新型ハイドロフォン、広帯域トランスデューサー技術などが含まれます。

 

2 新素材水中音響トランスデューサー

 

トランスデューサは、ソナーシステムにおけるエネルギー変換を実現するデバイスです。トランスデューサーには、エネルギーを変換する機能を持つ特殊な素材が含まれています。この材料を機能性材料と呼びます。トランスデューサの製造に使用される機能性材料には、主に圧電材料（圧電結晶、圧電セラミックス、圧電ポリマーなど）や磁歪材料（ニッケル、コバルト、ニッケル鉄合金、フェライト、希土類鉄合金など）が含まれ、圧電効果と磁歪効果を利用して、電場エネルギーまたは磁場エネルギーと機械的エネルギーとの間の相互変換を実現します。エネルギー。トランスデューサ技術の進歩は基本的に機能性材料の技術的進歩によって決まります。近年では、機能性材料分野におけるさまざまな技術成果により、トランスデューサー技術の発展も始まって​​います。博士は、ランタノイド希土類材料が驚くべき磁歪特性を持っていることを発見しましたが、キュリー点が室温よりも低いため、実際には使用されていませんでした。その後、希土類元素と鉄で構成される二元、三元、または四元合金も室温で超磁歪特性を有することが発見されました。最も代表的な希土類合金は Terfenol-D (組成は Tb0.27Dy0.73Fe1) です。 95)とされ、1980年代から注目を集めている新しいタイプの機能性素材です。緩和強誘電体単結晶ニオブ酸マグネシウム鉛 - チタン酸鉛 (PMN-PT) およびニオブ酸亜鉛鉛 - チタン酸鉛 (PZN-PT) は、新しいタイプの複合ペロブスカイト結晶材料であり、大きな応用の可能性を秘めた新しい機能性材料の 1 つとして登場しています。これ以前は、トランスデューサーの材料としてニッケルが一般的に使用されていました。 1917 年、フランスの科学者ランジュバンは水晶を使ってソナー トランスデューサーを作り、1940 年代のソナーへの圧電材料の応用の先例となりました。強い圧電特性を持つ BaTiO3 pzt セラミックの開発に成功し、ソナー システムで広く使用されました。 1950 年代に開発された PZT 圧電セラミックスは、広い動作温度範囲と優れた電気機械特性を備えています。変換効率はBa TiO3セラミックの不足を補っており、かつては水中音響トランスデューサに最適な材料となっていました。その中でもエネルギー密度の高い圧電セラミックス材料がPZT-8です。上記の材料を簡単に比較すると、Terfenol-D、PMN-PT、PZN-PT は PZT-8 の約 5 倍、ニッケルの約 50 倍の歪みを生成します。 PMN-PT と PZN-PT の圧電定数は d33 です。 PZT-8材の6～8倍です。これらの pzt 材料を使用して新しい水中音響トランスデューサを開発することは、現在最も注目されているトピックの 1 つです。

 

磁歪材料の 円筒型水中音響放射トランスデューサは まれであり、地球巨大磁歪材料は磁歪効果を利用して磁場エネルギーと機械エネルギー間の相互変換を実現し、主に低周波および高出力の水中音響放射トランスデューサの開発に使用されます。これは、高温超伝導磁歪水音響トランスデューサーの一種の「複雑」な構造です。トランスデューサの構造から見ると、その構造は非常に単純です。これは、通常のデュアルラジエーター縦方向トランスデューサーです。ここでのいわゆる「複雑」とは、その豊かな物理的な意味合いを指します。希土類合金材料の低温における磁歪力は、室温における磁歪力よりも大きくなります。たとえば、77K の温度における Tb0.6Dy0.4 の最大磁歪ひずみは 0.65% ですが、Terfenol-D は室温にあります。最高の磁歪ひずみは 0.25% です。温度範囲50〜60KのTb0.6Dy0.4材料磁歪水音響トランスデューサを開発しました。希土類合金棒状材料を空調室に配置し、冷蔵庫の冷却塔を周期的に冷却し、空調室は超電導材料コイルによって提供されます。バイアス磁界と励磁磁界により磁歪ロッドが励起されて伸縮振動が発生し、この振動が機械尾筒を介してピストン型放射面に伝達され、ピストン型放射面が水媒体を押して圧力波放射を発生させます。真空チャンバーは熱伝導を遮断する構造に設計されています。真空チャンバーの外壁はドーム型の耐圧カバーとなっており、10気圧までの圧力に耐えることができます。主な技術パラメータは次のとおりです: 共振周波数 430 Hz、最大音源レベル 181.4db、効率は約 25%。この種のトランスデューサの製造プロセスは複雑です。近年でも、室温で動作するターフェノール D 材料を使用し、ある程度の磁歪歪みを放棄し、優れた放熱性能を実現する新しい構造に置き換えることが依然として好まれています。以下は、水中音響トランスデューサにおけるいくつかの構造磁歪材料の研究の進歩を簡単に紹介します。縦振動子はシンプルな構造です。磁歪ロッドは、前部の放射ヘッドおよびテールマスと組み合わされて、同様の一次元振動システムを形成します。フロント放射ヘッドは一般に軽量の材料で作られ、テールマスは一般に放射面を実現するために高密度の材料で作られます。より大きな振動変位を出力します。 Terfenol-D 材料を使用して開発された 2 つの縦方向トランスデューサーが紹介されています。 1 つは、共振周波数 1200 Hz、音響出力 3 kW、トランスデューサ重量 60 kg の一般的な縦トランスデューサです。もう 1 つは両端の希土類ロッドです。ホーン型の両端放射縦方向トランスデューサーとして設計されており、共振周波数は 400 Hz、音響出力は 1.5 kW、トランスデューサーの重量は最大 100 kg です。リング型トランスデューサ: 多数の希土類ロッドで囲まれた正多角形であり、一連の円弧面がトランジションピースによって励起されて放射状の振動を起こし、高出力の音響放射を実現します。共振周波数200Hzのトランスデューサ（内径0.56m、外径0.94m、高さ0.37m、音源レベル193dB、重量410kg）と共振周波数30Hzのトランスデューサ（直径2m、高さ1.1m、音源レベル）を含む希土類低周波高出力トロイダルトランスデューサを開発しました。 195dB、重量5t）。屈曲張力トランスデューサは、圧電セラミックスタックまたは磁歪ロッドの縦振動を利用して、曲げ振動の振幅増幅効果でシェル（またはバレルビーム）放射面を励起する一種のトランスデューサです。いくつかの一般的に使用されるトランスデューサがフレックステンショナル トランスデューサのタイプにリストされており、そのうち I、II、III は同じ特性を持っています。縦振動ロッドが回転対称の曲面シェルを励振します。シェルは、連続した構造であっても、ビームのグループに切断された構造であってもよい。パーセルは Terfenol-D 材料を使用して、共振周波数 1300 Hz、音源レベル 188.7 dB、帯域幅 600 Hz の凹型バレル ビーム曲げ張力トランスデューサー (タイプ III) を開発しました。シングルロッドオープン磁気回路の使用により、共振周波数は最大AC電気音響効率わずか7%で、トランスデューサの重量は2.7kgです。フィッシュリップ フレキシブル トランスデューサには共通の特性があります。トランスデューサは縦振動ロッドによって励起され、凸面または凹面の楕円シェルを曲げて高出力の放射を実現します。フィッシュリップ型フレックステンショナルトランスデューサは振幅増幅効果を採用しています。面積による重み付けの効果により、音の放射パワーが増加します。210Hz、450Hz、800Hz、1200Hzの共振周波数を含む、この新しいタイプの低周波高出力水中音響トランスデューサが報告されており、この新しいタイプのトランスデューサの研究結果は、現在、低周波アクティブソナーアレイ、ターゲット音源や騒音シミュレータなどの音響音響システムに使用されています。

 

緩和強誘電体材料水中音響変換器

 

リラクサー強誘電体材料は、潜在的な機能性材料の一種であり、電歪セラミックタイプとリラクサー強誘電性単結晶タイプに分類できます。リラクサー強誘電体単結晶の製造プロセスは、電歪セラミック材料の製造プロセスよりもはるかに複雑です。研究者はこれらの材料を使用して、屈曲トランスデューサ、縦トランスデューサなどのさまざまなタイプのトランスデューサを作成してきました。このタイプの材料のトランスデューサ製造技術はより複雑で、DC バイアス電界を追加し、プレストレスを適用し、プロセスの温度を制御する必要があります。 PMN-PT-BT（マグネシウムニオブ酸鉛-チタン酸鉛-チタン酸バリウム）電歪セラミックスの使用により、IV型たわみ張力変換器を開発しました。研究結果は、開発されたトランスデューサーが材料の可能性を最大限に引き出していないことを示しています。この研究は依然として、水中音響トランスデューサの分野でしばらく研究される必要があるホットスポットの 1 つとなるでしょう。 PMN-PT リラクサー強誘電体単結晶材料を使用して、医療用 B 超音波およびドップラーカラー超音波イメージング装置で使用される 3.5MHz 超音波プローブの 64 チャネルを研究し、高周波イメージソナーにおけるリラクサー強誘電体単結晶材料の使用を示唆しました。

 

圧電高分子フィルム 球状の水中音響トランスデューサは、 柔軟な膜に作ることができ、トランスデューサを作るときに任意の形状に設計することができ、材料の音響インピーダンスが低く、水やその他の流体媒体や生体組織とのインピーダンスを達成するのが簡単です。マッチングは、高周波標準水中聴音器、高周波トランスデューサ、医療用超音波トランスデューサ、コンフォーマルアレイ、および多様な複合トランスデューサアレイの製造によく使用されます。トランスデューサの製造に一般的に使用される圧電ポリマーは、主にポリフッ化ビニリデン (PVDF) です。現在、最も注目を集めている圧電高分子材料フィルムEMFi（Electro MechanicalFilmの略）は、ポリプロピレン発泡フレキシブルフィルムの一種で、その圧電定数はPVDFの約10倍であり、高感度トランスデューサの製造に使用できます。 EMFi薄膜トランスデューサの構造は受信面直径35mmで、トランスデューサの受信感度は-190dB以上（参考値は1V/μPa）です。この種のトランスデューサは、空中で音波を受信または発信するために使用することもできます。

 

水中音響トランスデューサの新構造と各種伝達機構を紹介。機能性材料はトランスデューサにおいて重要ですが、適切な構造によって機能する必要があります。したがって、トランスデューサ技術の開発においては、トランスデューサの構造設計が特に重要であると考えられます。重要。さまざまな応用分野やさまざまな技術的要件に応じて、またはさまざまな変換機構や機能材料の特性に応じて、さまざまなタイプのトランスデューサが次々に登場しており、その多くは複数の分野の技術を組み合わせて新しい境地を開拓しています。いくつかの特別な技術的要件を満たすための技術的困難もあります。高温超電導磁歪式水音響変換器はその代表例である。この記事のこれまでの内容や、これから紹介するトランスデューサーの種類の中にも、水中音響トランスデューサーの新しい構造や新しい機構が多くあります。繰り返しを避けるために、このセクションでは新しい構造の他の 2 つの設計例のみを引用します。

 

シンバル型（シンバル）トランスデューサは、フレックステンショナルトランスデューサに似た新しい構造のトランスデューサの一種です。各シンバル型トランスデューサは、一対の PZT 圧電セラミック ディスクと 1 枚の金属キャップで結合されています。 PZT 圧電セラミック ディスクは、交流電圧を印加して半径方向の振動を発生させ、金属キャップを励起して曲げ振動を発生させます。トランスデューサーの隆起した金属キャップは「膨張-収縮」の交互振動を生成します。放射音波。同じ交流圧力波が金属キャップに作用すると、圧力は PZT 圧電セラミック ディスクに伝達され、セラミック ディスクの 2 つの極に交流電圧が出力され、受信トランスデューサとして使用されます。シンバル型トランスデューサの水中共振周波数は16.1kHz、放射電圧応答は130dB（参考値は1μPa/V、at 1m）です。図 5 には、このタイプのトランスデューサで構成された 9 要素マトリックスの写真も示されています。 。コイルスプリング式低周波圧電トランスデューサは、圧電セラミックスをコイルスプリング状に加工し（図6参照）、圧電セラミック振動子 は接線方向に分極され、励振電極対が構成されます。中央に電極のない中性部は分離され、外側リング電極対 1 と内側リング電極対 2 を形成します（図 6 の小部分の拡大模式図を参照）。このようにして、励起電圧 V が電極対に印加され、外側のリング電極対と内側のリング電極対によって制御される圧電セラミックの部分が反対の振動 (伸縮) を生成し、スプリング システムの伸縮運動によってピストンの作動面が駆動され、音響エネルギーが振動します。この構造の剛性が低いため、共振周波数が低く、低周波送信トランスデューサとして使用できます。受信機として使用した場合、低周波数帯域でも高い感度を発揮します。圧電方程式から出発して,このタイプの変換器の電気機械変換関係が得られ,いくつかの探索的研究作業が行われた。

 

水中音響トランスデューサのさまざまなエネルギー変換機構を紹介 トランスデューサは、エネルギー変換の観点から、圧電効果を利用してエネルギー変換を行う圧電トランスデューサと、磁歪効果を利用してエネルギー変換を行うマグネティックトランスデューサに大きく分けられます。格納式トランスデューサー、前述のコンテンツに含まれるトランスデューサーは、これら 2 つのタイプに属します。