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トランスデューサーはソナーの重要な部分です。水中音響の歴史の観点から見ると、水中音響の開発のあらゆる段階は、トランスデューサー技術の開発と切り離せないものです。水中音響変換器は水中音響工学において重要な役割を果たしているため、多くの先進国がこの研究に巨額の投資を行っています。水中音響機器の開発の歴史から、第一次世界大戦の初めから、 圧電セラミックスの結晶 と金属の塊を使用しました。何度も製品を交換した後、トランスデューサーが使用されました。パフォーマンスが大幅に向上しました。過去 20 年から 30 年にわたり、軍事需要、科学技術の急速な発展、新しいトランスデューサ材料の継続的な開発と応用、トランスデューサ設計やトランスデューサ研究における有限圧電要素解析の応用により、古典的な理論と分析手法に基づいて、多くの新しい概念と手法が登場しました。水中音響トランスデューサは、新たな製品代替の時期を迎えています。巨大磁歪希薄トランスデューサ、高性能電歪圧電セラミックトランスデューサ、ベクトルハイドロフォン、圧電複合トランスデューサ、低周波大面積PVDFハイドロフォン、光ファイバーハイドロフォンなど。トランスデューサ研究の最新の発展を表しています。この観点から、この記事は水中ソナートランスデューサーの最新の開発に期待します。
巨大磁歪トランスデューサ
1970 年代に、AE Clark は、希土類合金に超磁歪特性があることを発見しました。磁歪効果によって生じるこれらの最大ひずみは、磁歪効果の 6 ～ 20 倍です。 水中音響トランスデューサに使用される圧電管トランスデューサ であり、エネルギー密度は圧電セラミックの約10〜20倍、音速はわずか2/3〜3/4であり、希土類材料Terfenol2Dと従来の圧電材料PZT-8およびニッケルとの性能比較を示します。したがって、同じ体積条件下では、Terfenol2D 水音響トランスデューサの共振周波数は、圧電セラミック水音響トランスデューサの共振周波数よりも 2/3 ～ 3/4 低くなります。希土類超磁歪材料Terfenol2Dで作られたトランスデューサは、送信出力が大きく、体積が小さく、軽量であり、高温環境でも使用できるという特性を備えているため、低周波〜極低周波の高出力水中音響トランスデューサの開発において得られます。十分な注意と適用。 1980年代、先進国はさまざまなレアアース変換器を開発し、軍事分野に応用しました。スウェーデンは、掃海用に音響出力151kWの湾曲型レアアーストランスデューサの開発に成功した。中国は1990年代に研究を始めたが、急速に進歩した。彼らは、希土類屈曲トランスデューサ、希土類象嵌トランスデューサ、縦複合ロッド希土類トランスデューサなどの開発に成功しています。Terfenol2D 材料の主な特徴は、(1) 脆い材料であり、加工が難しいことです。 (2) 希土類材料は磁気伝導体であるだけでなく導電体でもあるため、外部磁場が変化すると希土類トランスデューサ内部で渦電流損失が発生し、高周波では損失が大きくなります。圧電セラミックトランスデューサと比較して、超磁歪トランスデューサは、磁気バイアス、プレストレス、渦電流損失、深水補償などの問題を解決する必要があります。現時点では、これらの欠点に対する解決策がいくつかあります。脆性材料と大きな渦電流損失の問題を解決することを目的として、超磁歪材料GMPCと粉末テルフェノール2Dを結合材と混合し、粉末冶金によりプレス成形する研究が行われています。超磁歪トランスデューサの設計では、その大きな変形と高いエネルギー密度をたわみトランスデューサの励起源として最大限に利用することが有利な解決策となります。さまざまな低周波、小容量、高出力の変換に使用できます。磁気バイアス、プレストレス、希土類超磁歪材料の適用技術を正しく選択することは、トランスデューサの性能に大きな影響を与えます。一般に、大きな出力を得るために、磁気バイアスは磁歪飽和値の1/3、プリストレスは7MPa～10MPaに選ばれます。
光ファイバーハイドロホン
光ファイバーハイドロフォン技術は、1970 年代後半に米国海軍研究所で始まりました。光ファイバーハイドロフォンには、高感度、強力な電磁干渉防止機能、広いダイナミックレンジ、小型、軽量という利点があります。 Pzt4 圧電半球 。そのため、この技術は誕生するとすぐに高く評価され、国防の基幹技術の一つとみなされました。 20年以上の開発を経て、光ファイバーハイドロホン技術は先進国で大きく進歩し、さまざまな光ファイバーハイドロホンが導入されています。彼らはオールファイバーハイドロホン海底音響モニタリングシステム、曳航式ラインアレイ、海底コンフォーマルアレイなどを完成させた。特に、固体レーザーの開発の成功により、光ファイバーの応用の広大な世界が開かれました。光ファイバーハイドロフォン技術も好調な滑り出しを見せている。ユニットのプロトタイプの性能は国際レベルに近いか、国際レベルに達しており、光ファイバーハイドロフォンアレイ技術の研究が行われています。ソナー研究がレーザー技術に浸透すると、間違いなくソナー研究に新たなページが開かれるでしょう。あらゆる種類の光ファイバーハイドロフォンは、音波の効果に従ってファイバー光の位相変調または強度変調を行うように設計されています。ファイバーはマルチモードファイバーとシングルモードファイバーに分けられます。光ファイバーハイドロホンは、ほとんどがシングルモードファイバーで作られています。干渉計タイプと光強度変調タイプ。音圧の作用により、光ファイバーのコアに応力が発生し、屈折率と長さが変化します。これら 2 つの変化により、光ファイバー内を伝播するレーザーの位相変調が発生します。干渉計型光ファイバーハイドロフォンは、音場の影響を受けるファイバーを感応ファイバーとして使用し、もう一方は音場から隔離されています。一定の位相差をもったファイバを基準ファイバとして干渉計のアームと光電変換器に設置し、合成後、受光した光電子増倍管の表面で干渉を形成し、音響情報を検出します。光の波長は非常に短いため、音圧による信号のわずかな歪みは光の波長に対して小さな変化ではなく、出力光強度の大きな変化を引き起こすため、ファイバー干渉型ハイドロフォンの感度は特に高い。ファイバー干渉計の光ファイバーハイドロフォンによって達成される技術的性能は次のとおりです。 受信電圧感度: - 140dB (0dB = 1V/μPa) 位相感度: 2.56 × 10 -8 rad / μPa 周波数応答: 16Hz ~ 10kHz (うねり ≤ 3dB) 指向性: 全方向性 (うねり ≤ 2.5dB) すべての強度タイプの中でハイドロフォン、格子型ハイドロフォンは、新しい、実証済みの効果的な水中音響検出器です。
出力は、入射音場の直接強度変調として表現されます。その主な動作原理は、音場の作用下で一定の光源と受光器の間の 2 つの格子の相対変位を引き起こすことであり、受信強度は 2 つの格子の相対変位の関数であるため、音場を変換できます。強度変調用。グレーティングハイドロフォン自体は、基本的に小さなギャップを備えた軸方向に整列した 2 本の光導波路 (またはファイバー) で構成されており、透過率を制御するギャップ内の開口部が必要な強度変調を提供します。ハイドロフォンは直接強度変調デバイスのすべての利点を備え、安価です。回折格子法は比較的高い感度を達成でき、高度な光学技術を必要とせずにデバイスの製造が簡単で、最大 160 dB のダイナミック レンジを持ち、0.01 A 未満の音によって引き起こされる変位を検出する機能を備えています。さらに、回折格子密度、オフセット、光パワー、ハイドロフォン構造を柔軟に選択できるため、感度、ダイナミック レンジ、サイズ、および動作周波数範囲の設計がより柔軟になります。光ファイバーハイドロフォンの場合、フォトダイオードの電流変動によって引き起こされるショットノイズが主なノイズ源であり、理論上のノイズ限界と呼ばれることがよくあります。さらに、ビームのアライメント、参照ビームの分離、およびソースの振動の分離は、パフォーマンスに直接影響します。光ファイバーハイドロフォンの最大の欠点は、温度の影響が大きいことです。
