水中音響変換器開発の技術革新(1)

水中音響変換器の開発における技術革新

 

 

地球の表面積の 70.8% は海です。広大な海は地球最大の資源の宝庫であり、国際的な軍事闘争の重要な拠点でもあります。海洋の研究、開発、利用は音波と切り離せません。音波は、海洋で長距離を伝わる唯一の情報媒体です。海洋資源の探査・開発、 水中通信トランスデューサー と船舶の航行、水中目標の探知と認識、環境モニタリング、自然 災害予測などはすべて水中音響技術に依存しています。水中音響技術の開発には、あらゆる種類の水中音響トランスデューサーのサポートが必要です。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り、「水中音響機器の目や耳」とも呼ばれる水中音響トランスデューサです。 「H」の誕生は水音響技術の発展の始まりです。水音響トランスデューサーの技術的進歩は、水音響技術の急速な発展のための重要な前提条件および基盤です(1)

 

の 水中音響トランスデューサは 、単純に孤立した主題ではなく、複数の分野にまたがる技術分野です。密接に関連する主題には、主に物理学、材料科学、数学、機械学、電子工学、化学、機械科学などが含まれます。そのため、水中音響変換器の開発の歴史は 100 年以上しかありませんが、現在では活気のある分野となっています。水音響技術分野からの緊急のニーズは水音響トランスデューサ開発の直接の原動力であり、機能性材料の開発と技術進歩は水音響トランスデューサ開発の最も重要な材料基盤です。水音響変換器の開発の歴史を通じて、水音響分野で増え続ける技術的要件に最大限に応えるために、対応する機能材料は常に更新されてきました。人々は、さまざまな機能性材料の特性を中心に特別な応用研究を実施し、新しい技術を設計し 、新しい構造を提案してきました。これにより、トランスデューサの総合的な技術的性能が向上および強化され、トランスデューサに関する革新的な研究結果が絶え間なく流れ出ることが可能になりました。著者は、発射トランスデューサの典型的な研究例をいくつか選択し、これらの研究活動の革新的なアイデアをいくつかの異なる角度から分析および要約し、若い学者に一定の指導と啓発を提供し、古典的な研究活動の深遠な側面を積極的に探求したいと考えています。

 

1. 機能性材料を活用した水中音響トランスデューサの技術革新

 

1915年、フランスのポール・ランジュバンらはコンデンサー送信機と炭素粒子受信機を使って水中音響実験を行った。これら 2 つの送信および受信デバイスは、原始的な水中音響トランスデューサーである必要があります。 1917 ～ 1918年 ランジュバン・ジワンが水晶振動子を設計・改良。その振動子は、2 枚の厚い鋼板の間に挟まれた数枚の圧電石英板で構成されています。この構造はLangzhiwanトランスデューサと呼ばれます。天然水晶では増え続ける需要に対応できないため、水溶性合成圧電結晶ロッシェル塩が水晶よりも強い圧電効果を持つことが判明しましたが、安定性の問題で応用範囲が限定され、圧電性も若干劣ります。リン酸二水素アンモニウム (ADP) 結晶は、比較的安定した特性があるため、第二次世界大戦で広く使用されました。 1920 年に、磁歪効果が水中音響トランスデューサーに応用されました。 1925 年に、ニッケル磁歪トランスデューサが設計され、適用されました。 1931 年、薄いニッケル シートの徹底的な研究により、磁歪トランスデューサが急速に開発されました。そして徐々に圧電結晶トランスデューサーに置き換えられました。 1944年、チタン酸バリウムセラミックスは分極後に強い圧電性を持ち、その損失は磁歪材料よりもはるかに小さいことが発見されました。その後、チタン酸バリウム圧電セラミックストランスデューサが急速に発展しました。 1954 年に発見された分極したチタン酸ジルコン酸鉛セラミック (PZT) は、より強い圧電性を持っています。今日に至るまで、PZT 圧電セラミックスは水中音響トランスデューサーの主要な機能材料です。

 

1970 年代に、米国のクラーク AE 博士は、希土類巨大磁歪三元合金ターフェノール D を開発しました。 1990年代以降、高電圧電気特性と高エネルギー密度-PTを有する緩和強誘電体単結晶材料PZN-PT、PMNが次々に発見され、これら3材料の応用研究は新たなブレークスルーをもたらしました。このセクションでは、これらの新しい機能性材料トランスデューサの研究成果を中心に紹介します。

 

⒈新世代の磁歪材料とそのトランスデューサ

新世代の磁歪材料には、希土類合金材料とレアメタル合金材料が含まれます。希土類合金材料の巨大磁歪効果は、低温条件下で初めて発見されました。 77K での Tb0.6Dy0.4 材料の最大磁歪ひずみは 0.65%、室温での Terfenol-D の最大磁歪ひずみは 0.25% です。超電導コイルで駆動する磁歪デュアルピストン縦振動子が開発されたことを示す文献がある。希土類（テルビウム・ジスプロシウム）合金磁歪棒を空調室（温度50～60K）に置き、冷却塔を冷蔵庫の冷却塔で循環冷却します。室内では、超電導材料コイルが DC バイアス磁界と励磁磁界を提供して磁歪ロッドを励起して伸縮振動を生成し、機械的なトランジションピースを介してピストン型の放射面に伝達します。ピストン型の放射面が水媒体を押して圧力波を発生させて放射します。熱伝導を遮断する構造内に真空チャンバーが設計されています。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。共振周波数は430Hz、最大音源レベルは181.4dB、効率は約25％です。これ 水中ハイドロフォントランスデューサーは、 低温での作業条件を得るために製造プロセスを複雑にします。近年、製造プロセスを簡略化するために室温で動作し、新しい構造により優れた放熱性能を実現する材料である Terfenol-D が積極的に使用されています。

 

1980年にバトラーによって完成されたターフェノールD駆動の八角形送信トランスデューサです。 16本の希土類棒が2層に配置され、各層の8本の希土類棒がくさび形の遷移ブロックを介して八角形に接続され閉磁気回路を形成し、遷移ブロックは円筒の一部（中心角45°に近い）の放射面に接続され、希土類棒はトランジションブロック間の高強度応力ワイヤを通じてプレストレスが与えられます。希土類ロッドの内部プレストレスは約13.8MPaであり、水中でのトランスデューサの共振周波数は775Hzで、直流バイアス磁場条件と不偏磁場条件での非線形駆動を比較し、直流バイアス磁場条件で189.8dB、無バイアス非線形駆動条件で196.2dBの音源レベルをそれぞれ実現した。