Jenis Baharu Transduser Akustik Bawah Air dan Teknologi Baharu Transduser

Gelombang akustik adalah satu-satunya pembawa yang ada pada manusia yang boleh menghantar maklumat dan tenaga dalam jarak yang jauh di lautan yang luas. Di darat, orang ramai menggunakan gelombang elektromagnet untuk membangunkan radar. Begitu juga, orang menggunakan gelombang akustik sebagai pembawa maklumat untuk membangunkan sasaran bawah air untuk pengesanan, dan peralatan elektronik untuk kedudukan, pengenalan dan komunikasi-sonar. Menghadapi lautan yang luas, sonar memikul misi penting yang menjangkau seluruh pelosok lautan yang luas, mengenal pasti pelbagai perkara di dalamnya, yang memberitahu orang ramai wajah sebenar dunia bawah air, dan membantu orang ramai dalam meneroka misteri lautan, untuk menjadi navigasi komunikasi bawah air, perikanan akuatik, pembangunan sumber marin, geologi marin dan geomorfologi sebab terbaik penerokaan gelombang air, media bunyi, dan geomorfologi. gelombang mempunyai pekali pengecilan terkecil berbanding dengan medan fizikal lain seperti gelombang elektromagnet, dan boleh dihantar pada jarak yang jauh. Kelebihan ini menjadikan sonar dengan menggunakan gelombang ultrasonik untuk memerhati di bawah air dari awal. Matlamat bermula dan terus berkembang. Pada masa ini, jalur frekuensi kerja sonar telah diperluaskan kepada julat yang luas. Sonar aktif telah dilanjutkan daripada puluhan Hz kepada puluhan MHz, dan hujung frekuensi rendah sonar pasif telah dilanjutkan kepada julat infrasound. Dalam jalur frekuensi yang begitu luas, mengikut peraturan, peranti penting yang merangsang dan menjana gelombang bunyi dalam bentuk isyarat dan deria serta menerima gelombang bunyi dalam air tanpa herotan dipanggil transduser sonar atau tatasusunan sonar. Peranti ini ialah peralatan bahagian hadapan sistem sonar, serta 'tingkap' untuk sistem sonar untuk berinteraksi dengan medium air dan bertukar maklumat, dan merupakan 'realisasi' fungsi sistem sonar, untuk transduser sonar atau tatasusunan sonar , Ia dengan jelas dirujuk sebagai 'mata dan telinga' sistem sonar. Dengan pengembangan berterusan bidang aplikasi teknologi sonar dan permintaan yang semakin meningkat untuk konfrontasi dan pertempuran ketenteraan, prinsip baharu, teknologi baharu dan peralatan sonar baharu telah muncul satu demi satu, satu demi satu. Keperluan pembangunan teknologi sonar baharu telah memacu perkembangan pesat teknologi transduser, dan penemuan teknologi yang sama dalam bidang transduser dan pembangunan bahan baharu, mekanisme baharu dan struktur baharu transduser akustik bawah air juga telah menjadikan sistem sonar 'menyegarkan'. Berikut adalah gambaran ringkas tentang status pembangunan teknologi transduser dalam beberapa tahun kebelakangan ini berdasarkan maklumat yang penulis ada dan tahap pemahaman yang terhad. Ia terutamanya termasuk transduser hidroakustik bahan baharu, struktur baharu dan transduser hidroakustik mekanisme baharu, jenis hidrofon baharu, teknologi transduser jalur lebar dan sebagainya.

 

2 Transduser akustik bawah air bahan baharu

 

Transduser adalah peranti yang merealisasikan penukaran tenaga dalam sistem sonar. Dalam transduser, terdapat bahan khas yang mempunyai keupayaan untuk menukar tenaga. Bahan ini dipanggil bahan berfungsi. Bahan berfungsi yang digunakan untuk membuat transduser terutamanya termasuk bahan piezoelektrik (seperti kristal piezoelektrik, seramik piezoelektrik, polimer piezoelektrik, dll.) dan bahan magnetostriktif (seperti nikel, kobalt, aloi besi nikel, ferit, aloi besi nadir bumi, dll.) dan kesan penukaran magnetik Etc. antara tenaga medan elektrik atau tenaga medan magnet dan tenaga mekanikal. Kejayaan teknologi transduser pada asasnya ditentukan oleh penemuan teknologi bahan berfungsi. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pelbagai pencapaian teknikal dalam bidang bahan berfungsi juga telah membawa fajar kepada pembangunan teknologi transduser. Doktor mendapati bahawa bahan nadir bumi lantanida mempunyai sifat magnetostrictive yang menakjubkan, tetapi ia tidak digunakan dalam amalan kerana titik curie lebih rendah daripada suhu bilik. Kemudian, didapati bahawa aloi binari, ternari atau kuaternari yang terdiri daripada unsur nadir bumi dan besi juga mempunyai sifat magnetostriktif gergasi pada suhu bilik. Aloi nadir bumi yang paling mewakili ialah Terfenol-D (komposisi ialah Tb0.27Dy0.73Fe1). 95), ia telah menjadi jenis bahan berfungsi baharu yang telah menarik banyak perhatian sejak tahun 1980-an. Relaksasi ferroelektrik kristal tunggal plumbum magnesium niobate-plumbum titanat (PMN-PT) dan zink plumbum niobate-plumbum titanat (dirujuk sebagai PZN-PT) ialah jenis baharu bahan hablur perovskit komposit, dan mereka juga sedang muncul Kelas bahan berfungsi baharu dengan prospek aplikasi yang hebat. Sebelum ini, nikel biasanya digunakan sebagai bahan untuk transduser. Pada tahun 1917, saintis Perancis Langevin membuat transduser sonar dengan kristal kuarza, menetapkan duluan untuk aplikasi bahan piezoelektrik dalam sonar pada tahun 1940-an, BaTiO3 pzt seramik dengan sifat piezoelektrik yang kuat telah berjaya dibangunkan dan digunakan secara meluas dalam sistem sonar. Seramik piezoelektrik PZT yang dibangunkan pada tahun 1950-an mempunyai julat suhu operasi yang luas dan sifat elektromekanikal yang sangat baik. Kecekapan penukaran menebus kekurangan seramik Ba TiO3 dan pernah menjadi bahan pilihan untuk transduser akustik bawah air. Antaranya, bahan seramik piezoelektrik dengan ketumpatan tenaga tinggi ialah PZT-8. Perbandingan mudah bahan di atas: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT boleh menghasilkan ketegangan kira-kira 5 kali ganda daripada PZT-8 dan 50 kali ganda daripada nikel; pemalar piezoelektrik PMN-PT dan PZN-PT ialah d33. Ia adalah 6-8 kali ganda daripada bahan PZT-8. Penggunaan bahan pzt ini untuk membangunkan transduser akustik bawah air baharu adalah salah satu topik hangat semasa.

 

Bahan magnetostriktif daripada silinder transduser akustik bawah air jarang berlaku, yang mana bahan magnetostrictive gergasi bumi menggunakan kesan magnetostrictive untuk merealisasikan penukaran bersama antara tenaga medan magnet dan tenaga mekanikal, dan digunakan terutamanya untuk membangunkan transduser pelepasan akustik bawah air berfrekuensi rendah dan berkuasa tinggi. Ia adalah sejenis struktur 'kompleks' transduser-suhu tinggi pengalir super magnetostrictive transduser hidroakustik. Dari perspektif struktur transduser, strukturnya sangat mudah. Ia adalah transduser longitudinal dwi-radiator biasa. Apa yang dipanggil 'kompleks' di sini merujuk kepada konotasi fizikalnya yang kaya. Kuasa magnetostriktif bahan aloi nadir bumi pada suhu rendah adalah lebih besar daripada pada suhu bilik. Sebagai contoh, ketegangan magnetostriktif maksimum Tb0.6Dy0.4 pada suhu 77K ialah 0.65%, manakala Terfenol-D pada suhu bilik. Strain magnetostrictive tertinggi ialah 0.25%. Membangunkan transduser hidroakustik magnetostrictive bahan Tb0.6Dy0.4 dengan julat suhu 50-60K: bahan berbentuk rod aloi nadir bumi diletakkan di dalam bilik penghawa dingin, dan menara penyejuk peti sejuk disejukkan secara kitaran, dan bilik penyaman udara disediakan oleh gegelung bahan superkonduktor. Medan magnet bias dan medan magnet pengujaan merangsang rod magnetostrictive untuk menghasilkan getaran regangan, yang dihantar ke permukaan penyinaran jenis omboh melalui sekeping peralihan mekanikal, dan permukaan penyinaran jenis omboh menolak medium air untuk menghasilkan sinaran gelombang tekanan. Kebuk vakum direka bentuk dalam struktur untuk mengasingkan pengaliran haba. Dinding luar ruang vakum adalah penutup tahan tekanan berbentuk kubah, yang boleh menahan tekanan 10 atmosfera. Parameter teknikal utama adalah seperti berikut: kekerapan resonans 430 Hz, tahap sumber bunyi maksimum 181. 4db, kecekapan adalah kira-kira 25%. Proses pembuatan transduser jenis ini adalah rumit. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, orang ramai masih bersedia menggunakan bahan terfenol-D yang berfungsi pada suhu bilik, meninggalkan beberapa ketegangan magnetostrictive, dan menggantikannya dengan struktur baharu untuk mencapai prestasi sinaran yang cemerlang. Berikut ialah pengenalan ringkas kepada kemajuan penyelidikan beberapa bahan magnetostriktif struktur dalam transduser akustik bawah air. Transduser membujur mempunyai struktur yang ringkas. Rod magnetostrictive digabungkan dengan jisim kepala dan ekor memancar depan untuk membentuk sistem getaran satu dimensi yang serupa. Kepala penyinaran hadapan biasanya diperbuat daripada bahan ringan, dan jisim ekor biasanya diperbuat daripada bahan padat untuk mencapai permukaan yang memancar. Keluarkan anjakan getaran yang lebih besar. Dua transduser longitudinal yang dibangunkan dengan bahan Terfenol-D diperkenalkan. Satu ialah transduser longitudinal am dengan frekuensi resonans 1200 Hz, kuasa bunyi 3 kW, dan berat transduser 60 kg; yang satu lagi ialah rod nadir bumi di kedua-dua hujungnya. Direka sebagai transduser memancar dua hujung berbentuk tanduk, frekuensi resonans ialah 400 Hz, kuasa bunyi ialah 1.5 kW, dan berat transduser adalah sehingga 100 kg. Transduser berbentuk cincin: poligon biasa yang dikelilingi oleh beberapa batang nadir bumi, dan satu siri permukaan arka bulat teruja oleh bahagian peralihan untuk membuat getaran jejari untuk mencapai sinaran akustik berkuasa tinggi. Satu siri transduser toroidal frekuensi rendah frekuensi rendah nadir bumi telah dibangunkan termasuk transduser dengan frekuensi resonans 200 Hz (diameter dalam 0.56m, diameter luar 0.94m, ketinggian 0.37m, paras sumber bunyi 193dB, berat 410kg) Dan transduser dengan frekuensi resonans 1.2m Hz (diameter bunyi 1.2m) tahap sumber 195dB, berat 5t). Transduser flextension ialah sejenis transduser yang menggunakan getaran membujur timbunan seramik piezoelektrik atau rod magnetostrictive untuk merangsang permukaan sinaran cangkerang (atau rasuk tong) dengan kesan penguatan amplitud untuk getaran lentur. Beberapa transduser yang biasa digunakan disenaraikan Jenis transduser fleksibel, antaranya I, II, dan III mempunyai ciri yang sama. Batang bergetar membujur merangsang cangkerang melengkung simetri berpusing. Cangkerang boleh menjadi struktur berterusan atau struktur yang dipotong menjadi sekumpulan rasuk. Purcell menggunakan bahan Terfenol-D untuk membangunkan transduser tegangan lentur rasuk tong cekung (jenis III), dengan frekuensi resonans 1300 Hz, tahap sumber bunyi 188.7 dB, dan lebar jalur 600 Hz. Disebabkan penggunaan litar magnet terbuka rod tunggal, kekerapan resonans adalah Kecekapan elektroakustik AC maksimum hanya 7%, dan berat transduser ialah 2.7kg. Transduser lentur bibir ikan mempunyai ciri yang sama. Transduser teruja dengan rod bergetar membujur untuk melenturkan cengkerang elips cembung atau cekung untuk mencapai sinaran berkuasa tinggi. Transduser lentur bibir ikan menggunakan kesan penguatan amplitud. Kesan pemberat dengan keluasan meningkatkan kuasa sinaran bunyi.Melaporkan jenis transduser akustik bawah air berkuasa tinggi frekuensi rendah baharu ini, termasuk frekuensi resonan 210Hz, 450Hz, 800Hz dan 1200Hz, hasil penyelidikan transduser jenis baharu ini kini digunakan dalam sistem tatasusunan sonar akustik aktif frekuensi rendah seperti sumber akustik sonar aktif, sistem tatasusunan akustik akustik tanpa frekuensi rendah,

 

Bahan ferroelektrik relaksasi transduser akustik bawah air

 

Bahan ferroelektrik Relaxor adalah sejenis bahan berfungsi yang berpotensi, yang boleh dibahagikan kepada jenis seramik elektrostriktif dan jenis kristal tunggal ferroelektrik relaxor. Proses pembuatan kristal tunggal ferroelektrik relaxor adalah lebih rumit daripada bahan seramik elektrostriktif. Penyelidik telah menggunakan bahan ini untuk membuat banyak jenis transduser, seperti transduser lentur, transduser membujur dan sebagainya. Teknologi pembuatan transduser bahan jenis ini adalah lebih rumit, dan perlu menambah medan elektrik bias DC, menggunakan prategasan, dan mengawal suhu proses. Penggunaan seramik elektrostriktif PMN-PT-BT (plumbum magnesium niobate-plumbum titanate-barium titanat) membangunkan transduser lenturan jenis IV. Hasil penyelidikan menunjukkan bahawa transduser yang dibangunkan tidak memaksimumkan potensi bahan. Kerja ini masih akan menjadi salah satu titik panas yang perlu diterokai dalam bidang transduser akustik bawah air untuk satu tempoh masa. Menggunakan bahan kristal tunggal ferroelektrik relaxor PMN-PT untuk mengkaji 64 saluran probe ultrabunyi 3.5MHz, digunakan dalam peralatan pengimejan ultrabunyi ultrabunyi B dan warna Doppler, mencadangkan bahawa bahan kristal tunggal ferroelektrik relaxor dalam sonar imej frekuensi tinggi.

 

Filem polimer piezoelektrik daripada transduser akustik bawah air sfera boleh dibuat menjadi membran yang fleksibel, dan transduser boleh direka bentuk ke dalam sebarang bentuk semasa membuat transduser, dan impedans akustik bahan adalah rendah, dan mudah untuk mencapai impedans dengan air dan media bendalir lain dan tisu biologi. Padanan, selalunya digunakan untuk membuat hidrofon standard frekuensi tinggi, transduser frekuensi tinggi, transduser ultrasound perubatan, tatasusunan konform dan tatasusunan transduser komposit terpelbagai, Polimer piezoelektrik yang biasa digunakan untuk membuat transduser adalah terutamanya polivinilidena fluorida (PVDF). Pada masa ini, filem EMFi bahan polimer piezoelektrik yang lebih menarik perhatian (singkatan electro mechanicalfil), adalah sejenis filem fleksibel busa polipropilena, pemalar piezoelektriknya adalah kira-kira 10 kali ganda daripada PVDF, yang boleh digunakan untuk membuat transduser kepekaan tinggi. Struktur transduser filem nipis EMFi mempunyai diameter permukaan penerima 35mm, dan sensitiviti penerima transduser lebih besar daripada -190dB (nilai rujukan ialah 1V/μPa). Transduser jenis ini juga boleh digunakan di udara untuk menerima atau mengeluarkan gelombang bunyi.

 

Pengenalan struktur baharu transduser akustik bawah air dan pelbagai mekanisme transduksi. Bahan berfungsi adalah penting dalam transduser, tetapi ia perlu dimainkan oleh struktur yang sesuai. Oleh itu, reka bentuk struktur transduser nampaknya amat penting dalam pembangunan teknologi transduser. penting. Mengikut bidang aplikasi yang berbeza dan pelbagai keperluan teknikal, atau mengikut ciri-ciri mekanisme transduksi yang berbeza dan bahan berfungsi, pelbagai jenis transduser telah keluar satu demi satu, kebanyakannya menggabungkan teknologi pelbagai disiplin untuk bersama-sama memecahkan landasan baru Kesukaran teknikal untuk memenuhi beberapa keperluan teknikal khas. Transduser hidroakustik magnetostrictive superkonduktor suhu tinggi adalah contoh biasa. Dalam kandungan di atas artikel ini dan jenis transduser yang akan diperkenalkan kemudian, banyak juga struktur baharu dan mekanisme baharu transduser akustik bawah air. Untuk tidak berulang, bahagian ini hanya memetik dua contoh reka bentuk lain bagi struktur baharu.

 

Transduser jenis simbal (simbal) ialah sejenis transduser struktur baharu yang serupa dengan transduser lenturan. Setiap transduser jenis simbal terdiri daripada sepasang cakera seramik piezoelektrik PZT dan satu Penutup logam diikat bersama. Cakera seramik piezoelektrik PZT menggunakan voltan berselang-seli untuk menjana getaran jejari untuk merangsang penutup logam untuk getaran lentur, dan penutup logam yang dinaikkan pada transduser menghasilkan getaran berselang-seli bagi 'pengecutan-pengembangan'. Gelombang bunyi sinaran. Apabila gelombang tekanan berselang-seli yang sama bertindak pada penutup logam, tekanan akan dihantar ke cakera seramik piezoelektrik PZT, dan voltan berselang-seli dikeluarkan pada dua kutub cakera seramik, yang digunakan sebagai transduser penerima. Kekerapan resonan transduser jenis simbal dalam air ialah 16.1kHz, dan tindak balas voltan pelepasan ialah 130dB (nilai rujukan ialah 1μPa/V, pada 1m). Rajah 5 juga menunjukkan foto matriks 9 elemen yang terdiri daripada transduser jenis ini. . Dalam transduser piezoelektrik frekuensi rendah jenis spring gegelung, seramik piezoelektrik diproses menjadi bentuk spring gegelung (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6),transduser seramik piezoelektrik dipolarisasi dalam arah tangen, dan kemudian pasangan elektrod pengujaan dibina. Bahagian neutral tanpa elektrod di tengah dipisahkan untuk membentuk pasangan elektrod gelang luar 1 dan pasangan elektrod gelang dalam 2 (lihat gambarajah skematik yang diperbesarkan bagi serpihan kecil dalam Rajah 6). Dengan cara ini, voltan pengujaan V digunakan pada pasangan elektrod, bahagian seramik piezoelektrik yang dikawal oleh pasangan elektrod gelang luar dan pasangan elektrod cincin dalam akan menghasilkan getaran yang bertentangan (sambungan atau pengecutan), dan pergerakan pengembangan dan penguncupan sistem spring akan memacu permukaan kerja omboh untuk bergetar tenaga bunyi. Disebabkan oleh kekakuan rendah struktur ini, ia mempunyai frekuensi resonan yang rendah dan boleh digunakan sebagai transduser pemancar frekuensi rendah. Apabila digunakan sebagai penerima, ia juga mempunyai sensitiviti tinggi dalam jalur frekuensi rendah. Bermula daripada persamaan piezoelektrik, hubungan penukaran elektromekanikal transduser jenis ini telah diperolehi, dan beberapa kerja penyelidikan penerokaan telah dijalankan.

 

Pengenalan kepada pelbagai mekanisme penukaran tenaga dalam transduser akustik bawah air Dari perspektif penukaran tenaga, transduser boleh dibahagikan terutamanya kepada transduser piezoelektrik yang menggunakan kesan piezoelektrik untuk mencapai penukaran tenaga dan magnet yang menggunakan kesan magnetostrictive untuk mencapai penukaran tenaga. Transduser boleh tarik balik, transduser yang terlibat dalam kandungan di atas tergolong dalam kedua-dua jenis ini.