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水中音響変換器開発の技術革新(2)
鉄ガリウム合金（ガルフェノール）は、近年登場した新しいタイプの磁歪材料です。その磁歪歪みは、ニッケルと Terfenol-D の間の 300ppm (ppm は微小変数であり、ΔL/L=10-6 を表す) です。上記のように、Terfenol-D と比較して、より高い比透磁率 (>100)、良好な機械加工性、高温安定性、および高い引張強度という利点があります。鉄ガリウム合金材料は優れた加工性能と高い機械的強度を備えているため、フレックステンショナルトランスデューサハウジングの設計および加工に使用できます。図2bは、鉄-ガリウム合金ハウジングを備えた凹バレル型フレックステンショナルトランスデューサの研究例です。の 水中音響トランスデューサ を駆動 振動子はΦ20mm×40mmの鉄ガリウム合金素体とネオジム鉄ボロン永久磁石シートで構成され、放射シェルと閉磁路を形成します。実験結果は、トランスデューサの放射電流応答が 168.4dB (共振周波数 1750Hz) であり、同じ幾何学的サイズのジュラルミンより優れていることを示しています。ハウジングのトランスデューサー (共振周波数 1900Hz) は 5dB 近く改善されており、アクティブ ハウジングの設計上の利点を反映しています。
2000年に発表された磁歪圧電結合励振広帯域縦振動子の研究結果。縦方向トランスデューサは Terfenol-D ユニットと PZT スタックによって共同駆動され、1.8KHz と 3.5KHz の二重共振ピーク結合の広帯域動作を実現します。文献には、このタイプのトランスデューサで構成される 4×4 高出力平面アレイの特性が報告されており、アレイの音源レベルは 1.5 ～ 6kHz の周波数帯域で 225dB を超えています。
Terfenol-Dマルチユニット駆動縦方向トランスデューサは、著者がドライブユニットを独創的に設計しており、その構造は永久磁石スリーブを使用してバイアス磁場を適用し、静磁場を動的磁気回路から分離し、動的磁気回路の透磁率の低い永久磁石要素が路上で回避され、磁場エネルギーの駆動効果が増加します。図はドライブユニットの物理図です。 4 つのこのようなドライブ ユニットが機械的に直列に接続され、フロント カバーとテール マスとの低周波縦方向代替部品を形成します。エネルギーデバイスの中央のネジにはプレストレスがかけられています。図3cは、パッケージ化後のトランスデューサの実際の写真です。トランスデューサの共振周波数は1.6kHz、音源レベルは177bBです。
磁歪素子の磁気回路設計は非常に重要です。バトラー氏は、凹型バレルのたわみ張力トランスデューサを例に挙げ、有限要素解析を通じて 6 つの磁気回路方式の作用効果を比較しました。図４ａ〜図４ｆの磁気回路構造は、それぞれ、 .連続希土類ロッド＋純鉄透磁性付属品エンドカバーおよびスリーブ、連続希土類棒＋純鉄透過性付属品エンドカバー、純鉄透過性付属品なしの連続希土類棒、希土類棒および永久磁石片の組み合わせ＋純鉄透過性付属品エンドカバーおよびスリーブ、希土類棒および永久磁石片の組み合わせ＋純鉄透磁性付属品エンドカバー、希土類棒および永久磁石片の組み合わせ（純鉄透磁性付属品なし）である。実効電気機械結合係数はそれぞれ 0.33、0.30、0.27、0.23、0.21、0.20 と計算され、希土類振動子の実効電気機械結合係数が連続希土類棒から永久磁石シートと組み合わせた希土類棒に変化することがわかります。純鉄透磁性アクセサリのエンドキャップやスリーブは希土類振動子の電気機械結合性能の向上に一定の効果がありますが、Terfenol-Dのような比透磁率の低い駆動材料の場合、改善効果は小さく、実効的な電気機械結合係数は0.20～0.23または0.27～0.33で決まります。
2.新世代の圧電材料とその変換器
20世紀前半までは、圧電材料はすべて単結晶でした。多結晶圧電セラミックのチタン酸バリウムは 1950 年代に初めて発見され、続いて 1960 年代にチタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) が発見されました。これらの圧電セラミックの性能は初期の単結晶の性能をはるかに上回り、以来 PZT は水中音響トランスデューサーの主要な機能材料となっています。
1990 年代半ばに、新しい圧電単結晶であるニオブ酸マグネシウム - チタン酸鉛 (PMN-PT) とニオブ酸亜鉛 - チタン酸鉛 (PZN-PT) が発見されました。これら 2 つの圧電単結晶材料は、非常に高い飽和歪み (1% 以上)、低損失、および高い圧電結合係数 (0.9 以上) を備えており、出力と電力の増加による潜在的な利点を示しています。水中音響トランスデューサの方向に周波数帯域を広げる。近年では、三元系ニオブ酸鉛インジウム－ニオブ酸マグネシウム－チタン酸鉛（PIN-PMN-PT）やマンガンをドープしたニオブ酸インジウム－ニオブ酸マグネシウム－チタン酸鉛（Mn：PIN-PMN-PT）の圧電単結晶材料が開発され、高電界条件下での動作特性がさらに向上しています。
PMN-PT などの圧電単結晶材料の水中音響分野への応用は、縦方向トランスデューサーの設計と開発から始まりました。マイヤーらは、33 モードおよび 32 モード PMN-PT 縦振動子の詳細な分析や、PZT-8 との比較研究など、一連の研究作業を実施しました。図 5a は 10 枚の PZT-8 ウェハのスタックで駆動される 33 モード縦方向トランスデューサ、図 5b は 3 枚の PMN-PT ウェハのスタックで駆動される 33 モード縦方向トランスデューサ、図 5c は 4 枚の PMN-PT です。長いストリップは「口」型の 32 モード縦方向トランスデューサを形成します。結果は、PMN-PT と PZT-8 を使用して同じ周波数、放射源レベル、その他のパラメーターを備えた縦型トランスデューサーを作成した場合、PMN-PT 結晶のスタック長は PZT-8 の約 30% にすぎないことを示しています。これは、小型トランスデューサーを作成するための圧電単結晶材料の技術的利点を示しています。 32 モードでは、単結晶材料を最高の性能の方向に従って切断することができ、同時に長いストリップの組み合わせを使用できます。大型の単結晶ウェーハの成長などの技術的問題を回避でき、トランスデューサの信頼性と一貫性が向上し、中周波数および高周波数の軽量ソナー アレイ アプリケーションにとって明らかな利点があります。
単結晶は 円筒形の送信トランスデューサー。 はめ込まれたリングで構成される各リングは 12 個のくさび形のストリップで構成されており、9 個のリングが軸方向に緊密に組み合わされて円筒を形成します。幾何学的なサイズ（Φ20.3mm×66mm）は、同じ周波数の圧電セラミックトランスデューサに比べて大幅に小さく、2.5オクターブ以上の広帯域動作特性を実現します。別の文献では、PMN-PT 単結晶を使用して凹バレル型たわみ張力トランスデューサを開発しています。トランスデューサの駆動振動子は、Φ28mm×Φ10mm×4.8mmのアキシャル分極素子16枚の積層体とチタン合金製の振動殻で構成されています。放射電圧応答は、PZT-4 材料の同じ構造のトランスデューサと比較して 5dB 以上改善されています。
PMN-PT 単結晶の三方晶系から正方晶系への相転移温度は比較的低いため、その応用範囲、特に高出力条件下での応用範囲がある程度制限されます。三元ニオブ酸鉛インジウム-ニオブ酸鉛マグネシウム-チタン酸鉛(PIN-PMN-PT)とマンガンドープ単結晶(Mn:PIN-PMN-PT)により、リラクサー強誘電体単結晶の相転移温度が明らかになります。損失係数の増加と大幅な減少を同時に実現します。相転移温度は95℃から125℃に増加し、損失係数は0.26から125℃に減少します。損失係数は0.15で、通常のPZT-4圧電セラミックスのわずか1/2です。これら 2 つの新しい配合の単結晶 PMN-PT と PZT-4 を使用して縦方向トランスデューサーを作成し、その高出力動作特性を比較した文献もあります。これは、新しい配合の単結晶材料が高出力および大きなデューティ サイクル条件により適していることを証明しています。 PMN-PT 振動子の音源レベルは、共振周波数において PMN-PT 振動子の音源レベルより 5dB 高くなります。 PZT-4圧電セラミックスと比較して、共振周波数における音源レベルと電力容量は基本的に同等であり、動作帯域幅は1倍に増加し、共振周波数以外の最大音源レベルは約6dB増加します。
PMN-PT 単結晶材料の応用研究は主に医療用高周波超音波イメージング システムに焦点を当てています。ここでは、シンバル型水音響変換器の応用研究の一例を紹介します。Φ12.7mm×1mmのPMN-PT素子を使用して、厚さ0.25mmのチタンを駆動します。合金曲げ振動キャップは、同じ構造のPZT-4で駆動される変換器よりも6dB高い放射電圧応答を有するシンバル型小型曲げ張力変換器を開発しました。
2. 水中音響変換器の構造と技術の技術革新
⒈ビーム特性を向上させる技術革新
現代のソナーでは、通常、必要なビーム特性を達成するためにさまざまな基本アレイが使用されます。ただし、トランスデューサの設置開口が限られており、ビーム特性に特別な要件がある場合には、トランスデューサのビーム特性を制御するための技術的措置を講じる必要があります。改善のための主な技術的アプローチには、バッフルの適用、双極子と多極子を使用するモード重ね合わせ技術などが含まれます。このセクションでは、トランスデューサのビーム特性を改善するためのモード重ね合わせ法の使用の分析と概要に焦点を当て、いくつかの代表的な研究例を選択します。
⑴バッフルを使用して振動子のビーム特性を改善する
初期のソナー システムでは、一般に独立したトランスデューサーが使用されていました。指向性が要求を満たせない場合、バッフルの反射を利用して送信ビームを制御します。これには、主に平面バッフル、円筒形バッフル、球形バッフルを通過することが含まれます。円筒形トランスデューサ、ピストントランスデューサ、球形トランスデューサなどの指向性を変更するプレートおよびコーンバッフルは、図6に示すように、一方向送信ビーム制御のニーズをある程度満たします。ダブルコーンの使用。反射バッフルは、磁歪トロイダルトランスデューサの指向性を調整し、片面ビーム放射特性を実現します。
3kHzのIV型フレックステンショナルトランスデューサをパラボラ反射板バッフルの焦点近くに配置することで、独自の無指向性を持つIV型フレックステンショナルトランスデューサが一方向放射特性を達成できるという文献があります。実験では、単一角度の開口角 83° が得られました。ビームに対して、前後の応答差は21dBです。
⑵ モーダル結合指向性変換器
さまざまな構造トランスデューサーには、異なる多次振動モードがあります。共振トランスデューサは通常、基本周波数振動モードに基づいて動作します。異なる振動モードは効果的な励振方法に対応するため、励振方法を組み合わせて使用できます。送信ビームの特性を変更するという目的を達成するために、複数の振動モードの重ね合わせ駆動を実現します。組み合わせによってトランスデューサのビーム特性を変更できる主なモードには、モノポール モード、ダイポール モード、四重極モードなどが含まれます。これらの基本モードは、重み付け組み合わせによってさまざまな指向性パターンを実現できます。このセクションでは、特定の文献結果と組み合わせて、モード重ね合わせを実現するためのさまざまな構造トランスデューサーの処理技術と励起方法の簡単な分析と概要を説明します。
励起マルチモード動作では、通常、次のような分割励起方法が採用されます。圧電セラミックチューブまたは球殻では、多くの場合分割電極方法が採用されます。図 7a、b を参照。磁歪多角形（リング）トランスデューサは、独立したエッジ励磁方式を採用しています。
バトラーら。 「モーダルトランスデューサ」を設計、開発しました。これは依然としてパーティション励起の設計アイデアを使用していますが、独立したコンポーネントの分割の制限を打ち破り、8つの独立した1/4縦振動子を使用してテールマスを共有し、各トランスデューサの放射面は45°に近い円筒状の円弧面であり、それらは集合的に分割され独立して駆動される円筒状の放射トランスデューサを囲みます。トランスデューサの幾何学的サイズは、独立した要素のプロセス条件によって制限されず、同時にプレストレスト構造の長手方向も採用されます。バイブレータは、低周波および高出力の指向性送信トランスデューサの設計に技術的な利点があります。図 8 は、「モーダル トランスデューサ」の基本的なモーダル振動形状を示しています。 PZT-8 圧電セラミックス、PMN-PT 単結晶、および Terfenol-D 超磁歪材料に基づくモーダル トランスデューサがそれぞれ設計および開発されています。指向性指数 6dB、前後応答差 25dB のカーディオイド指向性送信ビームを実現しました。
これは、別のタイプの低周波および高出力指向性放射トランスデューサ、つまりゾーン励起フレックステンショナル トランスデューサです。この設計では、屈曲-引張トランスデューサの圧電スタック (または磁歪振動子) がゾーン励起を受け、モノポール モードとダイポール モードの組み合わせが重ね合わされてカーディオイド指向性放射ビームが形成されます。図 9a は 900Hz 指向性タイプ IV フレックステンショナル トランスデューサ、図 9b は 3kHz 指向性タイプ VII フレックステンショナル トランスデューサです。
文献では、バッフル プレートを備えた広帯域マルチモード円筒形トランスデューサーが研究されています (図 10 を参照)。圧電セラミック円筒管の電極は2つのグループに均等に分割され、独立して励起されてモノポール（0モード）とダイポール（1モード）が得られ、バッフルと協働して片側指向性放射を実現します。研究では、モード間の位相関係を利用して、低周波「0+1」と高周波「0 + 1」を通じて独立したパワーアンプと同調回路を設計します。 －1”モーダル組み合わせ制御により広帯域な動作特性を実現。トランスデューサにはΦ38.2mm×Φ31.8mm×19mmの圧電丸管PZT-4を高さ方向に4本採用、梱包後のサイズはΦ48mm×79mm。バッフルは2枚のコルクゴムを半円状に重ね合わせたもの。円筒面の厚みは6mmで、放射電圧応答性も良好。 26 ～ 46kHz の周波数帯域で 6dB 変動します。
2.周波数特性を向上させる技術革新
水中音響技術の応用方向が多方向に拡大するにつれて、アクティブソナーシステムの動作周波数範囲は継続的に拡大されています。このうち、高解像度画像ソナーの動作周波数は106Hzまで高められ、超長距離探知および通信ソナーの動作周波数帯域はさらに低くなりました。 100 Hz未満。一方、ソナー情報処理の発展には、トランスデューサーの動作周波数帯域ができるだけ広いことが必要です。このため、近年水中音響分野では低周波トランスデューサや広帯域トランスデューサが注目を集めており、その研究成果は非常に豊富である。しかし、まだ十分に解決されていない理論的および技術的問題が数多くあります。この側面は依然として研究のホットスポットであり、将来の開発の焦点となるでしょう。このセクションでは、低周波トランスデューサおよび広帯域トランスデューサに関する研究成果を選択し、分析および要約します。革新的なアイデアと新しい技術の成果。
⑴ 革新的な低周波トランスデューサー設計
①屈曲振動低周波トランスデューサ
低周波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、500Hz 縦方向変換などの幾何学的サイズは大きくなります。エネルギーデバイスの長さは約3メートルです。曲げ振動により、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。このうち、機能素子が曲げ振動に直接関与するトランスデューサには、主にベンディングビームトランスデューサ、ベンディングディスクトランスデューサなどが含まれます。
図 11a は、典型的な 3 段重ねの曲げ梁構造を示しています。圧電セラミックストリップを曲げ梁の上下に貼り付けます。励起時に圧電セラミックストリップの一方が伸び、もう一方が収縮すると、中央の金属ビームが曲げ振動を発生します。この種のエネルギー変換 音波を放射するには、デバイスの片側を水にさらす必要があるため、通常、図 11b に示すように、いくつかの湾曲したビームを組み合わせて空気空洞を形成し、各放射面が同位相で振動します。
同様の動作原理は、ディスク構造を備えた曲面ディスクトランスデューサと呼ばれ、これには 3 層および 2 層の積層構造も含まれます。図 11c は、一対の二重積層シート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。 （ベンダー）。 Delany システム分析では、Bender の低周波、小型、高出力の動作特性を研究しました。
曲げ振動低周波トランスデューサの開発には、新しい構造分割トロイダル トランスデューサも含まれています (図 12 を参照)。分割トロイダル トランスデューサは、特殊な曲げビーム トランスデューサと考えることができます。元の構造は 1957 年に Harris によって提案されました。複合リング ビームは、内側の圧電セラミック リングと外側の金属リングで構成されていました。トランスデューサのモデリングと解析は、図 12b に示す「音叉モデル」に基づいて行われ、駆動要素は分割構造に調整されました。図 12c に示すように、スプリット リング トランスデューサは、より大きなサイズで設計でき、厚さの分布剛性によって質量を調整して、動作周波数と放射特性の最適化を実現できます。
②曲げ張力変換器
フレックステンショナル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。1966 年に Toulis が IV 型フレックステンショナルトランスデューサの特許を公開してから、フレックステンショナルトランスデューサの研究と応用が活発になり始め、現在までにその半分以上が開発されています。の世紀の中で 開発の歴史、フレックステンショナルトランスデューサのさまざまな構造形式が誕生し、その動作原理と構造プロセスは革新的な設計アイデアに満ちています。開発の時系列順に 1 つずつ紹介することはできません。フレキシブル トランスデューサのみを紹介します。企業の構造とインセンティブ方法を以下の3つに分けて簡単に分析し、まとめます。
△円筒構造の曲げ張力変換器です。このタイプのトランスデューサは、図 13 に示すように、縦伸縮振動子によって駆動され、屈曲振動シェルを並進させます。 トランスデューサの振動シェルは、1 つまたは複数の縦伸縮振動子によって駆動される並進構造、つまりさまざまな形状の円筒面です。a はタイプ IV 屈曲張力トランスデューサ、b はタイプ VII 屈曲張力トランスデューサ エネルギー デバイス、c は a直交圧電スタックによって駆動される「星型」曲げ張力トランスデューサと、四角形の磁歪振動子によって駆動される「星型」曲げ張力トランスデューサです。このタイプのトランスデューサは分割励振振動子の設計が容易であるため、上記の指向性屈曲張力トランスデューサは一般にこのタイプの構造を選択します。
△長い回転体を備えた曲げ張力変換器です。このタイプのトランスデューサは、図 14 に示すように、縦伸縮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シェルは、円周に沿って分散された一連のバレル ビームを含む回転対称構造であり、通常、縦伸縮振動子によって駆動されます。図１４ａおよびｂは、タイプＩたわみ張力トランスデューサ構造および凹面構造の凸形状である。図１４ｃに示すように、トランスデューサの縦方向励振振動子は、機能材料の体積を増加させるために軸方向に長くなり、タイプＩＩフレックステンショナルトランスデューサに発展する。図14dに示すように、屈曲振動シェルは2つ以上のセクションの形で設計され、タイプIII屈曲張力トランスデューサに開発されます。タイプ II とタイプ III の両方のフレックステンショナル トランスデューサは、対応する凹面構造を持っています。
△平面回転体を備えた曲げ張力変換器です。このタイプのトランスデューサは、図 15 に示すように、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シェルは、回転対称の構造であり、一般に、半径方向に拡張するリングまたはディスク振動子によって駆動される、一対の凸面または凹面の球面クラウン (または球面クラウン) です。図 15a は、リング駆動 V 型フレックステンショナル トランスデューサ、b を示しています。はウェハ駆動の V 型フレックステンショナル トランスデューサ、c は VI 型フレックステンショナル トランスデューサ、d と e は構造 b に基づいて開発された小型のフレックステンショナル トランスデューサです。このデバイスはシンバル トランスデューサと呼ばれます。
△ キャビティ構造の低周波トランスデューサー。ヘルムホルツ共鳴器は、図 16 に示すように、キャビティ構造の水中音響変換器の基本的な形式です。a、b、c は、圧電セラミック管励振、ベンディングディスク励振、および圧電セラミックボール励振を使用するヘルムホルツ共鳴器の 3 つの基本構造です。ヘルムホルツ共鳴器は一般に動作周波数帯域が狭く、d は b に基づいて使用されます。曲面ディスクの二重作用面は異なる体積の共振空洞を励起し、二重共振動作を実現します。文献では、より完全なヘルムホルツ共鳴器解析モデルを確立し、300HZ ヘルムホルツ共鳴器の動作特性と構造パラメータの関係を分析しました。モロゾフら。水中パイプオルガン音源を設計しました (図 17 を参照)。図 17a の設計では、スリーブを移動して共振システムのインピーダンスを変更することで周波数調整を実現します。同調周波数の範囲は 225 ～ 325 Hz で、効率は最大 80% 以上で、高効率特性を備えた High-Q (品質係数) システムを反映しています。図 17b この設計では、球状音源を内蔵した二重管構造を使用して、二重周波数共振を実現します。低周波共振は二重構造のスリーブからなる空洞共振です。高周波の共鳴は内部共鳴管に対応した共鳴のみです。外側スリーブと内側共鳴管には金属アルミニウムまたは非金属カーボンファイバー素材を使用できます。
⑵ 広帯域トランスデューサーの革新的な設計
水中音響技術の発展の歴史の中で、さまざまな構造形態の水中音響トランスデューサが製造されてきましたが、それぞれの動作特性はその構造的特徴によって決まります。ブロードバンドアプリケーションのエンジニアリングニーズに適応するために、ほぼすべての構造トランスデューサはブロードバンド設計とプロセス改善という技術的問題に直面しています。その中で、縦方向トランスデューサは、振動子の分野で最も一般的な構造形式の 1 つです。 水中広帯域トランスデューサー。ブロードバンドの設計と応用に関する研究結果は非常に豊富です。他の構造トランスデューサの広帯域設計の技術原則は基本的に同様です。このセクションでは、広帯域特性を達成するための縦方向トランスデューサーに基づく一連の新しい設計アイデアに焦点を当てます。
①バンド結合広帯域縦振動子
周波数帯域の組み合わせの応用は、ソナー技術開発の初期段階ですでに始まっています。初期の作品は 1940 年代に見られました。異なる共振周波数を持つ 3 つの磁歪縦方向トランスデューサーを使用して、長方形の放射プレートとラダー配置の 6 つのトランスデューサーを駆動しました。共通の巻線コイル (図 18 に示す) によって駆動されるトランスデューサーの独立した共振周波数は、結合後のそれぞれ 21.5、23、および 24.5kHz、Q=12、および Q=4 です。この周波数帯域結合方法は厳密には広帯域トランスデューサではありませんが、水中音響学の分野、特に騒音シミュレーションや音響デコイなどの音響システムで依然として広く使用されています。デバイスの組み合わせにより超広帯域の発光特性を実現。
② モーダル結合広帯域縦振動子
１次元モデルの解析では、通常、縦振動子のフロントカバーはピストン状に振動する、すなわち曲げ振動は発生しないと仮定される。トランスデューサの放射面のホーンが比較的広い場合、曲げ振動を伴う必要がありますが、これは合理的です。フロントカバーの曲げ振動モードを使用して縦振動モードと効果的に結合させることで、広帯域の縦トランスデューサを設計できます。文献では、正方形の放射カバープレートの曲げ振動と縦振動の結合効果を研究し、広帯域トランスデューサを設計しました。別の文献では、振動および屈曲ディスクが放射カバーに埋め込まれ、屈曲ディスクが縦方向トランスデューサの振動モードと結合され、図19aに示すように広帯域トランスデューサが設計および開発されています。縦方向トランスデューサの圧電スタックは、複数のグループで設計できます。図 19b に示すように、広帯域動作を達成するために二重励起モード結合を使用するトランスデューサーの基本構造です。 Butler は二重励起縦方向トランスデューサーの構造に基づいています。磁歪と圧電のハイブリッド二重励起を使用して広帯域縦方向トランスデューサを設計し、前面カバーに 1/4 波長整合層を貼り付け、3 次共振モード結合超広帯域縦方向トランスデューサを設計するなど、綿密な開発。図 19c に示すデバイスの動作周波数帯域は 13 ～ 37kHz です。
③液体キャビティと結合した広帯域縦方向トランスデューサ
縦方向トランスデューサーと液体キャビティ間の結合の典型的な設計は、ヤヌス・ヘルムホルツ トランスデューサーです (図 20 を参照)。縦方向トランスデューサは、Janus と呼ばれる両端放射構造を採用しており、Janus の二重放射ヘッド間にヘルムホルツ共振空洞を形成するように設計された円筒形スリーブを備えています。一般的な液体空洞共鳴トランスデューサーの動作周波数帯域は狭いです。 Janus 共同アプリケーションでは、モーダル結合の最適化設計により広帯域伝送を実現できます。
ガル氏は、300Hz と 160Hz の 2 つのヤヌス ヘルムホルツ トランスデューサを設計し、ヘルムホルツ共鳴空洞にコンプライアント チューブを追加した場合のトランスデューサの広帯域動作特性への影響を詳しく研究しました。
⒊放音力を向上させる技術革新
水中音響トランスデューサの音響パワーを高める直接的な方法は、トランスデューサの体積を増やし、数を増やし、最密マトリックスを形成することです。最も効果的な方法は、高エネルギー密度の機能性材料を使用することです。これまでの章では、高エネルギー密度機能材料の応用について説明してきました。このセクションでは、小容量高出力トランスデューサの構造とプロセスにおける技術革新に焦点を当てます。
トランスデューサの小型サイズと高出力特性の長所と短所を説明する際には、体積性能指数を使用して測定するのが一般的です。
FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴
式 ⑴ は、特定のタイプのトランスデューサーの体積メリットファクターを定義します。ここで、Wa は音響パワー (W)、V はトランスデューサーの体積 (m3)、f0 は共振周波数 (Hz)、Q は品質係数です。デバイスの体積メリットファクターは、構造や機能材料と密接に関係しています。デラニーは、コンパクトな曲面ディスク トランスデューサ (ベンダー) を設計および開発し、ベンダーの低周波、小型、高出力動作の動作特性を系統的に分析および研究しました。
凹面構造のタイプ I (凹バレル型) 曲げ張力トランスデューサをよりコンパクトな組み合わせに設計する文献があります。これにより、限られた体積内で複数のトランスデューサ クラスタを使用して、体積変位を最大化し、大きな電力特性を実現できます。図 21 に示すように、6 つのタイプ I 屈曲伸長トランスデューサの頂点が一緒にクラスタリングされ、「三次元六芒星」屈曲伸長トランスデューサを形成します。周波数、高出力、広い周波数帯域: 基本共振周波数 1.15kHz での送信電圧応答は 127dB、無指向性であり、800Hz から 10kHz までの送信電圧応答は 120dB を超えています。 FOMv パラメータは文献には記載されていませんが、「星型」屈曲張力トランスデューサと同等以上であると予想されます。
小型・高出力を追求する上記の設計・解析は、基本的には電気的・機械的限界からスタートし、機能材料のエネルギー密度と構造の振動限界のみを考慮します。トランスデューサが長いパルスまたは連続動作を必要とする場合、高出力条件下ではトランスデューサの発熱と放熱が最大の問題となります。現時点では、熱制限がトランスデューサの最大出力を制限する主な要因となります。トランスデューサの熱限界は、エンジニアリングにおいて関係する重要な基本問題の 1 つです。トランスデューサのプロセス詳細と同様に、公的に報告された研究論文は多くありません。低周波および高出力トランスデューサの熱問題をモデル化および分析し、ヤヌス・ヘルムホルツおよびタイプ IV フレックステンショナル トランスデューサの熱伝導問題について議論する文献があります。トランスデューサが浅瀬で動作している場合、特に低周波および高出力の送信の場合、音響パワーの増加はキャビテーション係数の音響限界によっても制限されます。このような背景の下では、単一のトランスデューサの出力を増加させる方法はもはや効果的ではありません。基本配列も制限されるため、疎な基本配列を形成する方法は 1 つだけになります。
したがって、低周波かつ大出力のトランスデューサを設計する際には、電気的限界、機械的限界、熱的限界、音響的限界などを考慮して、構造形状や駆動機能材料を合理的に選択し、全体的な解析と総合的な最適化を行う必要があります。限界電力とトランスデューサーの体積の間には最適な関係があります。これに関する徹底的な研究は、将来の低周波および高出力トランスデューサの技術的方向性の 1 つとなるでしょう。
⒋静水圧耐性を高める技術革新
現在、学術界は透明な海洋や情報化された海洋などの開発アイデアを提案している。目標は、水中情報技術が極地や深海溝を含む海の隅々までカバーできるようにすることです。したがって、彼らは、水中音響トランスデューサをより深い深度で使用するための要件を提案しました。深海での作業能力にも挑戦します。トランスデューサの静水圧耐性は、特に構造剛性の低い低周波放射トランスデューサの場合、トランスデューサの構造に密接に関係しています。現在のトランスデューサ技術の第一分野では、静圧耐圧構造技術の解決が重要なテーマとなっています。作業深度を解決する現在の効果的な方法と手段には、主に流体充填、流体充填に適合するコンプライアントチューブ、自然構造サポート、高圧ガスシリンダー補償、エアバッグ補償などが含まれます。1000mを超える作業深度では、唯一の効果的な技術的方法は流体充填技術です。フリーオーバーフロータイプは、充填流体として海水を直接使用するか、自己静圧バランスを達成するためにいくつかのオイルインピーダンス媒体を充填します。 1000m以内では、耐圧コンプライアンスチューブを液体キャビティ内で同時に使用して、液体キャビティのコンプライアンスを向上させることができます。 200 メートル以内では、構造物の自然な支持は静水圧に耐えることができます。構造的剛性が非常に低い一部のトランスデューサ (ムービング コイル トランスデューサなど) は、高圧エア シリンダを使用して圧力補償を行うことができます。通常、100m以内ではエアバッグ補償を使用できます。上で紹介したキャビティ構造トランスデューサは、一般に、深海での作業を実現するための流体充填作業モードとして設計できます。このセクションでは、油封入構造設計のいくつかの適用例を示します。
1965 年に発表されたKendigの研究成果では、4 つの PZT-4 圧電セラミック ディスク駆動の縦方向トランスデューサーを組み合わせて使用しており、スチール シェル (音響伝達ゴム板を含む) とトランスデューサーの間に形成される空隙を保護するためにシリコン オイルが充填されています。キャビティは後部流体室と接続されています。前端の通音ゴムと後端のゴム窓が海水に接し、内外圧のバランスをとっています。トランスデューサの動作帯域幅は 30 ～ 50kHz で、0 ～ 6.9MPa の静水圧範囲内の動作が実験的に研究されています。特徴的なのは、この圧力バランス方式は今でも多くの深海ソナーアレイで使用されているということです。図 22b は、オイル充填構造を備えたフリー オーバーフロー トロイダル トランスデューサーを示しています。圧電セラミックリングはポリウレタンゴムスリーブ内に吊り下げられており、内部には外界との圧力バランスをとるためにシリコンオイルが充填されています。ポリウレタンゴムスリーブは理想的な音響伝達材料であり、この種のトランスデューサはポリウレタンゴムの直接注入コーティングフォームと同様の動作特性を備えています。 PZT-4丸管 Φ150mm スリーブ×Φ140mm × 50mmに対し、5 の周波数範囲におけるポリウレタンゴムのシミュレーション解析と実験研究を行い、～ 10kHzの材質をチタン合金またはスチールに置き換えます。その結果、チタン合金はエミッション電圧応答を約 6dB 低減し、鋼はエミッション電圧応答を約 12dB 低減します。
3. 結論
最初の圧電トランスデューサの誕生から現代のトランスデューサ技術の精力的な発展に至るまで、トランスデューサ技術の 100 年にわたる開発の歴史を見ると、水中音響トランスデューサの技術革新が頻繁に現れてきました。トランスデューサ技術の革新と開発の主な目標には、複雑なプロセスの簡素化、技術的なボトルネックの打破、技術的限界の書き換え、総合的な技術性能の向上、新しい概念と新しいメカニズムの提案、新しい技術的方向性の生成と開発、トランスデューサ分野システムの理論の深化と完成などが含まれます。本稿では、新素材の適用、新振動子の構造や技術などの観点から、振動子の革新的なデザインと精緻な職人技を反映した研究事例を紹介します。
