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音波は、海洋で長距離を伝わる唯一の情報媒体であると考えられています。海洋研究、資源開発、海上軍事闘争はすべて水中音響技術と切り離せないものです。水中音響技術の開発には、サポートを提供するさまざまなタイプの水中音響トランスデューサが必要であり、水中音響トランスデューサの使命は、水中で音波を送受信することであるため、水中音響トランスデューサは「水中音響機器の目と耳」として知られています。水中音響トランスデューサの開発には、主に、トランスデューサの総合的な技術的性能の向上と強化を達成するための、新しい材料の適用、新しいプロセスの採用、新しい構造の設計が含まれます。水音響技術の分野からの需要は、水中音響トランスデューサの直接の開発です。この記事では、主に低周波トランスデューサ、高周波広帯域トランスデューサ、深水トランスデューサ、ベクトル水中聴音器の新開発を含む、過去 20 年間の水中音響トランスデューサの研究結果に焦点を当て、我が国の海洋技術開発戦略と状況を組み合わせて、水中音響トランスデューサが直面する課題と開発の機会について簡単に説明します。現在の水中音響トランスデューサ技術。
の 水中音響トランスデューサは 、水媒体中での音やその他の形式のエネルギーまたは情報の変換を実現するセンサーの一種です。水中音響トランスデューサーはソナー システムのフロントエンド機器であり、情報を交換するためのソナー システムと水媒体の間の相互作用でもあります。水中音響トランスデューサ技術の研究開発の分野には複数の分野の統合が含まれており、密接に関連する分野には主に物理学、材料科学、数学、機械学、電子工学、化学、力学などが含まれます。そのため、水中音響トランスデューサの開発は他の基礎分野の成果と密接に関連しており、同時にさまざまな関連分野の発展によって制限されています。我が国の水音響トランスデューサの数十年にわたる開発の歴史から判断すると、最大の開発動機は水音響技術の分野での応用要件から来ていますが、20 世紀の終わりまで、我が国の水音響トランスデューサ技術の開発は全体的かつ体系的な性質を欠いていました。
1.1 低周波トランスデューサの研究の進展
超長距離の水中情報伝送と超ステルス潜水艦探知の開発という緊急のニーズに応えて、低周波送信トランスデューサは、21 世紀以来、水中音響トランスデューサの分野で最も懸念されるホットスポットの 1 つとなっています。外国の超長距離探知・通信ソナーの使用周波数帯域は約100Hzに低減されています。低周波トランスデューサには多くの理論的および技術的問題が伴いますが、現時点では十分に解決されておらず、この側面は依然として研究のホットスポットであり、将来の開発において注目されるでしょう。ここでは、曲げ振動低周波変換器と曲げ引張変換器の研究成果を取り上げ、新たな技術成果をまとめます。
1.1.1 屈曲振動低周波トランスデューサ
低周波水中トランスデューサの開発で直面する最初の技術的問題は、幾何学的サイズです。一般に、共振トランスデューサーの動作周波数は幾何学的サイズに反比例します。つまり、トランスデューサの周波数が低いほど、幾何学的サイズは大きくなります。振動により、低周波トランスデューサの幾何学的サイズを効果的に縮小できます。過去 20 年間の中国の低周波曲げ振動トランスデューサの新しい設計には、主に曲面ビーム トランスデューサと曲面ディスク トランスデューサが含まれます。
(1) 曲げビームトランスデューサ。円筒形のカンチレバー ビーム広帯域送信トランスデューサを設計します (図 1a)。低曲げ振動モード周波数の特性とマルチモード振動結合方式を組み合わせた構造設計により、周波数帯域を広げます。チャイ・ヨンら。チューブビーム結合リングトランスデューサが提案されています（図1b）。はめ込まれたリング状トランスデューサに湾曲したビームを追加してチューブビーム結合構造を形成することにより、効果的な動作モードが増加します。マルチモード結合を使用して、低周波数および広帯域の動作特性を実現します。オーバーフロー構造を採用しており、深海3000mの潜水基準の実使用により静水圧耐性が実証されています。徐ら。 ～のための 2 つの設計スキームを提案しました 円筒形の低周波トランスデューサ (図 1c および d) を使用して一連のシミュレーションを実施し、新しい磁歪材料である Terfenol-D および Galfenol によって駆動される放射応答曲線を示しました。これは、超低周波用途におけるトランスデューサー構造の可能性を示しています。
図 1 曲面ビーム用の新しい設計の低周波トランスデューサ (a)、0 は固定ビーム、1 ～ 5 は異なる厚さの円筒形ビーム |
(3) ディスクトランスデューサが曲がっている。曲面円板振動子には、３段積層構造、２段積層構造等がある。図 2a は、一対の二重積層で構成されるコンパクトな湾曲ディスク トランスデューサを示しています。海外の研究活動は比較的成熟している。この曲面ディスクトランスデューサーの基本構造については徹底的な研究が行われています。この基本構造を基に、液室の設計や駆動モードの改良などにより、新たなデザインを生み出しました。図 2b は、モザイク リングによって駆動される湾曲したディスク トランスデューサーです。図 2c の設計では、さまざまなサイズの湾曲したディスク トランスデューサを使用してマトリックスを形成し、さまざまな駆動方法を使用して広帯域動作を実現します。図 2d は、オーバーフロー キャビティ構造を備えた湾曲したディスク トランスデューサです。液体キャビティのサイズは、音響性能要件を満たすように設計時に適切に調整されます。ガルフェノールで駆動される曲面ディスクトランスデューサで、縦トランスデューサと同様の構造を採用し、前面放射の曲げ振動を励起します。
図 2 湾曲ディスクを備えた新しい設計の低周波トランスデューサー
1.1.2 フレキシブルトランスデューサ
屈曲張力トランスデューサの概念は、1936 年のヘイズの特許から始まりました。基本的な動作モードは、1 つまたは複数の伸縮振動子が屈曲振動シェルを駆動して低周波音響放射を生成することです。私の国では、20 世紀の終わりからフレキシブル トランスデューサの研究と応用が活発に行われてきました。研究者たちは、さまざまな構造を備えたたわみ張力トランスデューサーを設計してきました。構造と励振方法に応じて、屈曲張力トランスデューサは 3 つのカテゴリに分類されます。ここではこの分類方法を用いて別途紹介します。
(2) 円筒構造の曲げ張力変換器。このタイプのトランスデューサは、縦伸縮振動子によって駆動され、屈曲振動シェルを平行移動させます。トランスデューサの振動シェルは並進構造、つまりさまざまな形状の円筒形シェルであり、1 つまたは複数の縦方向伸縮式振動子によって駆動されます。 IV タイプのフレックステンショナル トランスデューサとその変形構造、VII タイプのフレックステンショナル トランスデューサ、四角形のフレックステンショナル トランスデューサなどが含まれます。図 3a は、典型的な IV タイプのフレックステンショナル トランスデューサの構造です。リラクサ強誘電体単結晶PMNT材料により駆動されるIV型フレックステンショナルトランスデューサを開発した。希土類超磁歪材料テルフェノールDを駆動源とするIV型フレックステンショナルトランスデューサを開発。図 3b は、希土類超磁歪材料 Terfenol-D によって駆動される VII タイプのフレックステンショナル トランスデューサの新しい設計です。励起方法は横方向の最も広い部分で設計されており、このタイプのトランスデューサを詳しく見るために一対の平行振動子が設計されています。一連の研究には、プレストレス設計解析、理論モデリング、モーダル解析、実験研究などが含まれます。 図 3c は、IV 型フレックステンショナル トランスデューサの改良された新しい設計であり、I 型フレックステンショナル トランスデューサから II 型フレックステンショナル トランスデューサへの設計改良と同様であり、細長い長軸を持つ楕円形のシェル構造を使用しており、トランスデューサはリラクサー強誘電体単結晶材料 PMNT によって駆動されます。一般的な IV 型フレックステンショナルトランスデューサよりも優れた広帯域動作特性を備えています。図 3d は、中国の IV 型フレックステンショナル トランスデューサを改良した最初の新しい設計です。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、高さが可変の楕円形シェルを使用し、希土類超磁歪材料テルフェノール D ドライブを使用しています。この特殊な形状の振動シェルには、レバー アーム効果と高重量の二重増幅効果があります。現在、Terfenol-D フィッシュリップ フレックステンショナル トランスデューサはシリーズ化され、送信出力をさらに高めるために二重シェル構造に設計されています。単一のトランスデューサーの最大音響パワーは 10,000 ワットに達することがあり、国内の低周波高出力送信トランスデューサーの基本的なタイプの 1 つです。図3eは、直交励振四辺形フレックステンショナルトランスデューサで、コンパクト設計の改良を採用しており、限られた体積でより多くの機能材料を追加し、放射音源レベルを向上させることができます。図 3f は、タイプ I フレックステンショナル トランスデューサからタイプ III フレックステンショナル トランスデューサへの設計改良と同様に、IV タイプ フレックステンショナル トランスデューサの別の改良された新しい設計です。これは、長軸方向に沿って直列に 2 つの楕円形シェルを使用します。全体として、より長い圧電スタックが励振に使用されるため、縦振動子の共振周波数が低下し、縦振動子の基本周波数モードに近づきます。屈曲シェルはモード結合を促進し、広帯域の動作特性を実現します。図 3g は、IV 型フレックステンショナル トランスデューサの励起振動子の改良された新しい設計です。折り畳み振動子により駆動されるIV型フレックステンショナルトランスデューサです。この構造と低剛性のハウジング材料を組み合わせることで、共振周波数を効果的に下げることができます。
図3 柱構造の曲げ張力変換器
ひょうたん型フレックステンショナルトランスデューサとしても知られています。 PZTおよびPZT+ターフェノールDによって駆動されるひょうたん型たわみ張力変換器を研究しています。 , 共同励振の放射特性パラメータのシミュレーション解析を実行します。図 4c は、磁歪と圧電の組み合わせによって励起される凹管屈曲張力トランスデューサーです。設計では、Terfenol-D と PZT の 2 つの励起要素を使用して複合縦振動子を形成します。図 4d は、凹型シリンダーのたわみ張力トランスデューサーを示しています。これは、複数の圧電スタックによって励起されます。シェルが変化せず、圧電セラミック材料の総体積が同じであるという前提の下で、異なる数 (1 ～ 4) の圧電スタックを駆動する解析を行いました。 トランスデューサーの性能への影響を考慮して、三重圧電スタックによって励起される凹管曲げ引張トランスデューサーが設計および開発されました。
図4 ロングタイプ回転体曲げ張力変換器
平型回転体曲げ張力測定器。このタイプのトランスデューサは、半径方向に拡張する振動子によって駆動され、回転対称の屈曲振動シェルを駆動します。トランスデューサの振動殻は、回転対称の構造であり、一般に一対の凸面または凹面の球面キャップ（または球面キャップ）またはディスクなどで構成され、径方向に広がるリングまたはディスク振動子によって駆動されます。ここで紹介するV型フレックステンショントランスデューサ、VI型フレックステンショントランスデューサ、ディスク型フレックステンショントランスデューサなどがあります。 小型V型フレックステンショナル トランスデューサー - シンバルおよびディスク タイプのフレックステンショナル トランスデューサー。図 5a は、小型の V 字型フレックステンショナル トランスデューサです。一対の金属エンド キャップは、半径方向に振動して曲げ振動を生成する圧電セラミック ディスクによって駆動されます。図 5b は、設計に PZT- を使用したディスク型のたわみ張力トランスデューサです。 4 半径方向に分極された圧電セラミック リングが湾曲ディスクを駆動します。ディスクは、横方向の振動の結合を低減するために、放射状のスリットに沿って 16 の等しいセクターに分割されています。これら 2 つの構造形式のフレックステンショナル トランスデューサは、低い共振周波数、小さな幾何学的サイズ、および高い電気音響効率という特性を備えています。
図5 扁平型回転体曲げ張力変換器
1.2 高周波広帯域トランスデューサの研究の進展
水中音響機器の重要な指標としての探知距離に加えて、開発のもう一つの方向性は、主な目的としてターゲットの情報を最大限に取得することです。たとえば、高解像度のイメージソナー、高データレートの水中音響通信など。高周波数モードでの動作が必要であり、動作周波数帯域は可能な限り広いです。したがって、高周波広帯域水中音響トランスデューサは、光学部品と同様に、システムの重要なコンポーネントとなっています。撮像系のレンズは同じです。
図 6a は 高周波広帯域トランスデューサ。 圧電セラミック柱と整合層を備えた圧電セラミックの間隔とセラミックのサイズの比、および帯域幅に対する充填材料の影響が研究されています。図6bで設計された二重整合層高周波広帯域トランスデューサは、圧電セラミック柱を使用してアレイを形成し、金属層と樹脂複合材料の二重整合層構造を追加して、高周波広帯域音響放射性能を実現します。図6cは、設計された1-1-3圧電複合高周波広帯域トランスデューサを示しています。これは、3次元接続されたポリマーマトリックス内に並列に配置された1次元接続された圧電ピラーと1次元接続された金属ピラーで構成されています。三相圧電複合材料を形成し、高周波広帯域送信トランスデューサを開発した。図6dは、設計された1-3圧電複合高周波広帯域トランスデューサを示しています。これは、厚さ振動モードと1次横振動モードの結合効果を利用して広帯域動作特性を実現します。図6eは、設計された圧電複合リング高周波広帯域トランスデューサを示しています。圧電複合リングは、圧電セラミックリングを放射状に切断し、エポキシ樹脂を流し込むことにより得られます。次に、壁厚の異なる 2 つの圧電複合リングが得られます。複合リングは重ね合わされて、放射状に放射する二重共振トランスデューサーを形成します。
図 6 高周波広帯域トランスデューサ
