深海低周波伝達型水中音響変換器の開発概要

海洋研究の発展に伴い、深海で動作できるトランスデューサーに対する幅広い需要が高まっています。深海トランスデューサは、主にさまざまなタイプの内蔵型水中プラットフォームに取り付けられます。

プラットフォームは限られた体積と重量、および電源容量に対応できますが、低周波トランスデューサは小型、軽量、高効率、高静水圧耐性の特性を満たす必要があります。

この論文は、国内外の低周波深水探触子の研究の進捗状況を、探触子の一般的なタイプ、その特徴、開発上の問題を含めて紹介し、研究者の参考にします。

関連分野.196dB、重量は2800kg。 65Hzの超低周波音 音源の最大音源レベルは203dB、重量は1900Kgです。その主な欠点は、湾曲したディスクの構造的特徴によって制限され、作業深度が 1000 メートルに達するのが難しいことです。

 

2.2 ヤヌス・ヘルムホルツ変換器

ヤヌス・ヘルムホルツ変換器は、ヘルムホルツ変換器のタイプに起因することもあります。その典型的な形式は、両端の縦振動子が、液体キャビティ周波数と半径方向振動周波数を使用して、二重共振ピークを形成することにより、両端の硬い円筒形シェルを励起するというものです。主要部分は、両側に放射できる縦振動トランスデューサー (ヤヌス トランスデューサーと呼ばれます) です。一対の円筒形シェルキャビティがヤヌストランスデューサの放射ヘッドの外側に配置され、キャビティとヤヌストランスデューサで囲まれた空間にヘルムホルツ共鳴空洞が形成され、ヤヌストランスデューサの縦振動の励起下で動作します。その構造は、圧力補償装置を使用せずに、より深い水域でも機能します。 , 液腔共鳴モードと縦振動モードの結合を利用し、低周波、広帯域、高出力の特性を持ち、同時に比較的小型であるため、深海の低周波音源としての利用に適しています。 IXBLUE は、さまざまなフルデプス ヤヌス ヘルムホルツ トランスデューサー JH250-6000、JH650-6000 などを開発しました。JH250-6000 トランスデューサーの動作周波数帯域は 200Hz ～ 1050Hz、全体サイズは Φ 72*112cm、重量は 450kg、音源レベルは 196dB 以上です。 JH650-6000トランスデューサーの動作周波数帯域は580Hz-2020Hz、外形寸法は Φ45 *61cm、重量は90kgです。音源レベルが 196dB を超えています。欠点は帯域の変動が大きいことです。

 

多くの国内部門もヤヌス・ヘルムホルツ変換器に関する関連研究を実施しています。このタイプのトランスデューサは、低周波作用効果を得るために比較的小さいサイズと重量を備えており、理論的には、トランスデューサの性能は深さによって変化せず、良好な応用の見通しを持っています。主な問題は、液体キャビティの共振モードの Q 値が高く、液体キャビティの共振ピーク付近でコンダクタンスと応答曲線が急峻になることです。これは整合ネットワークの設計に役立たず、広帯域動作に一定の影響を及ぼします。杭州応用音響研究所は、JH トランスデューサの問題に関する研究を実施し、従来のヤヌス・ヘルムホルツ トランスデューサの 2 つの共振モード結合の問題を効果的に改善し、トランスデューサの帯域幅と動作​​周波数帯域を改善しました。送信電圧応答の平坦性。製造されたプロトタイプトランスデューサーは、動作周波数範囲が 400 ～ 700Hz、液体キャビティのピークが 480Hz、送信電圧応答帯域幅 (6dB) が 200Hz を超え、最大音源レベルが 205dB でした。比較的高周波のプロトタイプの動作周波数範囲は700〜1400Hz、液体キャビティのピークは760Hz、送信電圧応答帯域幅（6dB）は500Hzより大きく、最大音源レベルは200dBです。

 

2.3 ヤヌス・ハンマー・ベル変換器

 

2013年には、従来のJHトランスデューサとは全く異なる深水トランスデューサが登場しました。具体的には、双方向放射縦振動トランスデューサと、剛性シリンダーに取り付けられた剛性円筒シェルが含まれています。中程度の質量で。そのメカニズムは、両端縦振動モードとトロイダルモード（2つのアルミニウムリング）の結合にあります。縦方向の振動によりキャビティ内の液体が振動し、硬い円筒形のシェルが共振します。縦モードはシェルの半径モードと結合します。広帯域放射を実現するために、帯域内レベルは基本的に無指向性です。このトランスデューサを使用して、長距離の音の伝播実験を実行します。 JHBトランスデューサはチャネル軸(約1000m)上に配置され、20元の垂直受信アレイを使用して1000kmの信号を正常に受信します。

2.4 オーバーフローリングトランスデューサ

 

オーバーフロー リング トランスデューサは、中低周波数帯域の一般的なタイプの深海トランスデューサです。セラミックリングの内面と外面は防水材料（ポリウレタンまたは加硫ゴム）でシールされています。構造物にかかる静水圧は自動的に平衡しており、理論的には作業深度は水深によって制限されません。同時に、トロイダルトランスデューサーの液体キャビティサイズの合理的な設計により、低周波数の液体キャビティ共振ピークを励起し、トロイダル自体の半径方向共振と組み合わせて、マルチモード広帯域動作効果を達成できます。通常、1kHz〜10kHzの周波数範囲で動作します。 1kHz以下の周波数帯では大型のモザイクリングを作製する必要があり、高度な組み立て技術が必要となります。海外で報告されているオーバーフローリングトランスデューサーは、250Hz～1kHzの動作周波数帯域と音源を備えています。レベルは197dB、直径は1m、高さは1.6m、重さは約800kgです。

lan「深海音響トモグラフィー潜在標準」に準拠しており、暫定的な結果は得られていますが、まだ改善の余地があります。デバイスの動作周波数範囲は400Hz〜550Hz、最大送信電圧応答は132dB、最大音源レベルは182dBです。このトランスデューサの 2 セットの深海音響断層撮影潜水艦ターゲットに基づいて、低周波 (500Hz)、深海 (航路軸深さ 1000m)、水深 300m ～ 1500m の垂直プロファイルでの長期 (勤務時間 3 か月) の音響信号の放射と音響信号の受信を行います。適用されたオーバーフローフレックステンショントランスデューサの実用新案では、耐圧材料として硬質発泡プラスチックが使用されており、共振周波数は2.4kHz、送信電圧応答は126dBです。ハルビン工程大学は「位相反転深海屈曲張力水中音響トランスデューサ」という特許を提案した。 IV型フレックステンショナルトランスデューサの両端に半波長反転管を設置することにより、オーバーフロー型フレックステンショナルトランスデューサの内部輻射を放射します。音圧位相を180度反転させ、屈曲放射筒内の音圧位相を調整することで、反転管のノズル内側から放射される音圧と振動筒の外側から放射される音圧が同位相となり、従来のオーバーフロー型屈曲張力変換器の放射効率の低さの問題を克服しました。この設計により、トランスデューサは 3 つの同相放射面、つまり両端の楕円面ピストン放射面とフレックステンショナル トランスデューサのシェル放射面を備え、3 値同相マトリックス モードを形成し、フレックステンショナル変換を可能にします。このデバイスは 8 の字型の指向性を形成し、指向性放射の特性を備えています。

2.6 ガス補償型低周波トランスデューサ

 

米国の Alliant Techsystems 社は、1993 年から 1994 年の海洋気候音響温度測定 (ATOC) 用に超低周波高出力水中音響トランスデューサー HX-554 を開発しました。トランスデューサは、長さ 1085 mm、幅 119 mm、厚さ 53 mm の 10 個の圧電結晶スタックで構成されています (各結晶スタックは 92 枚の圧電セラミックの正方形のプレートを貼り合わせて作られており、結晶スタックの中央に受動材料のセクションが追加されています)。静水圧のバランスをとるために内部に膨張可能なバッグを備えた成形構造で、作業深度は 1000 メートルに達します。トランスデューサは、圧電スタックの曲げ振動を使用して、水平方向の無指向性音波を放射します。共振周波数は75Hz、動作帯域幅は57-92Hz、最大音源レベルは197dB（音響出力420W、CWパルス）です。トランスデューサ全体のサイズは長さ 2.06 です。 m、直径0.94m、空気中で2300kg、水中で770kg、さらに支持構造と膨張システムを加えた総重量は5500kgです。

 

2.7 流体力学的音源

流体動力音源は、油圧駆動を利用して振動を発生させ、超低周波放射、広い作動周波数、長い作動ストローク、大きな推力という特徴を持っています。 Hydroacoustics が開発した HLF-1 水力音源は、動作周波数範囲が 20Hz ～ 2kHz で、音源レベルは 260Hz 共振で 196dB に達し、最大サイズは 1m です。開発したHLF-4水力音源は、共振周波数57Hz、帯域幅14Hzで音源レベル206dBの単一音源を備えています。 5つの音源をマトリックス状に使用しており、音源レベルは221dBに達します。 1991年に有名です。このトランスデューサはハード島の海水温測定試験に使用され、音響信号の伝播距離は18,000kmです。

 

3 結論

深海用低周波送信トランスデューサの種類によって、サイズ、重量、深層音響特性が大きく異なります。 1 つのトランスデューサでさまざまな種類のソナー機器のニーズを満たすことは不可能です。たとえば、オーバーフロー リング トランスデューサは優れた性能を持っています。深海での安定性、全空間をカバーする指向性、優れたブロードバンド効果を備えていますが、それに対応するサイズと重量は比較的大きくなります。 JH トランスデューサは、比較的小さな体積で低周波数および広帯域動作を実現しますが、その指向性は周波数に応じてより大きく変化します。周波数帯域は大きく、多くの場合深い「谷」があり、実際の使用効果に一定の影響を与えます。プロジェクトの実際のニーズに応じて、適合性、音源レベル、指向性、広帯域動作などの要件を総合的に考慮し、適切なタイプの深海低周波送信トランスデューサを選択する必要があります。