Kemajuan Penyelidikan dan Peluang Pembangunan Teknologi Transduser Akustik Bawah Air

Gelombang akustik dianggap sebagai satu-satunya pembawa maklumat yang boleh menempuh jarak jauh di lautan. Penyelidikan marin, pembangunan sumber, dan perjuangan ketenteraan maritim semuanya tidak dapat dipisahkan daripada teknologi akustik bawah air. Perkembangan teknologi hidroakustik memerlukan pelbagai jenis transduser hidroakustik untuk memberikan sokongan, dan misi transduser hidroakustik adalah untuk menghantar dan menerima gelombang bunyi di bawah air, jadi transduser hidroakustik dikenali sebagai 'mata dan telinga peralatan hidroakustik. Pembangunan transduser hidroakustik terutamanya termasuk penggunaan bahan baharu, dan penggunaan struktur baru yang komprehensif, dan penggunaan struktur baharu yang komprehensif. daripada transduser. Permintaan mendesak dari bidang teknologi hidroakustik ialah pembangunan langsung transduser hidroakustik Artikel ini memfokuskan pada hasil penyelidikan domestik transduser akustik bawah air dalam 20 tahun yang lalu, terutamanya termasuk perkembangan baru dalam transduser frekuensi rendah, transduser jalur lebar berfrekuensi tinggi, dan transduser air dalam strategi dan situasi pembangunan teknologi marin, membincangkan secara ringkas cabaran dan peluang pembangunan yang dihadapi oleh teknologi transduser akustik bawah air semasa.

 

The transduser akustik bawah air ialah sejenis sensor yang merealisasikan penukaran bunyi dan bentuk tenaga atau maklumat lain dalam medium air; transduser akustik bawah air ialah peralatan bahagian hadapan sistem sonar, dan ia juga merupakan interaksi antara sistem sonar dan medium air untuk bertukar maklumat. window'. Bidang penyelidikan dan pembangunan teknologi transduser akustik bawah air melibatkan penyepaduan pelbagai disiplin, dan disiplin yang berkait rapat terutamanya termasuk: fizik, sains bahan, matematik, mekanik, elektronik, kimia, mekanik, dan lain-lain, jadi pembangunan transduser akustik bawah air Ia berkait rapat dengan pencapaian disiplin masa yang sama, asas dan disiplin yang sama. Dari pelbagai disiplin yang berkaitan dengan dekad sejarah pembangunan transduser hidroakustik negara saya, motivasi pembangunan terbesar datang dari keperluan aplikasi dalam bidang teknologi hidroakustik, tetapi sehingga akhir abad ke-20, pembangunan teknologi transduser hidroakustik negara saya tidak mempunyai sifat keseluruhan dan sistematik.

 

1.1 Kemajuan penyelidikan transduser frekuensi rendah

Sebagai tindak balas kepada keperluan mendesak penghantaran maklumat bawah air jarak jauh ultra dan pembangunan pengesanan kapal selam ultra-siluman, transduser pemancar frekuensi rendah telah menjadi salah satu titik panas yang paling prihatin dalam bidang transduser akustik bawah air sejak abad ke-21. Jalur frekuensi kerja bagi pengesanan jarak jauh ultra jauh dan sonar komunikasi Telah dikurangkan kepada kira-kira 100 Hz. Transduser frekuensi rendah melibatkan banyak masalah teori dan teknikal, yang belum dapat diselesaikan dengan baik pada masa ini, dan aspek ini masih akan menjadi tumpuan penyelidikan dan tumpuan perhatian dalam pembangunan masa depan. Bahagian ini memilih kerja penyelidikan transduser frekuensi rendah getaran lentur dan transduser tegangan lentur, dan meringkaskan pencapaian teknologi baharu.

 

1.1.1 Lenturan getaran transduser frekuensi rendah

Masalah teknikal pertama yang dihadapi oleh pembangunan transduser bawah air frekuensi rendah ialah saiz geometri. Secara amnya, kekerapan kerja transduser resonan adalah berkadar songsang dengan saiz geometri. Maksudnya, semakin rendah frekuensi transduser, semakin besar saiz geometrinya. Getaran boleh mengurangkan saiz geometri transduser frekuensi rendah dengan berkesan. Reka bentuk baharu transduser getaran lentur frekuensi rendah di China dalam tempoh 20 tahun yang lalu terutamanya termasuk transduser rasuk melengkung dan transduser cakera melengkung.

 

(1) Transduser rasuk lentur. Reka bentuk transduser penghantar jalur lebar rasuk julur silinder (Rajah 1a). Reka bentuk struktur menggabungkan ciri frekuensi modal getaran lentur rendah dan kaedah gandingan getaran berbilang modal untuk meluaskan jalur frekuensi. Chai Yong et al. Adalah dicadangkan transduser gelang gandingan tiub-rasuk (Rajah 1b). Dengan menambahkan rasuk melengkung pada transduser berbentuk cincin bertatahkan untuk membentuk struktur gandingan rasuk tiub, mod kerja berkesan ditingkatkan. Gunakan gandingan berbilang mod untuk mencapai ciri pengendalian frekuensi rendah dan jalur lebar. Struktur limpahan diterima pakai, dan keupayaannya untuk menahan tekanan hidrostatik telah disahkan oleh penggunaan sebenar piawaian tenggelam laut dalam 3 000 m. Xu et al. mencadangkan dua skim reka bentuk untuk transduser frekuensi rendah silinder (Rajah 1c dan d), menjalankan satu siri simulasi, dan memberikan lengkung tindak balas pelepasan yang didorong oleh bahan magnetostriktif baharu Terfenol-D dan Galfenol. Ia menunjukkan potensi struktur transduser untuk aplikasi frekuensi ultra-rendah.

Rajah 1 Reka bentuk baharu transduser frekuensi rendah untuk rasuk melengkung (a), 0 ialah rasuk tetap, dan 1-5 ialah rasuk silinder dengan ketebalan yang berbeza

(3) Transduser cakera bengkok. Transduser cakera melengkung termasuk struktur tiga tindanan, dua tindanan dan sebagainya. Rajah 2a menunjukkan transduser cakera melengkung padat yang terdiri daripada sepasang laminasi berganda. Kerja penyelidikan asing agak matang. Ia dijalankan penyelidikan mendalam mengenai struktur asas transduser cakera melengkung ini. Bermula daripada struktur asas ini, dengan mereka bentuk ruang cecair dan menambah baik mod pemanduan, beberapa reka bentuk baharu telah dihasilkan]. Rajah 2b ialah transduser cakera melengkung yang dipacu oleh gelang mozek. Reka bentuk Rajah 2c menggunakan transduser cakera melengkung dengan saiz yang berbeza untuk membentuk matriks, dan menggunakan kaedah pemanduan yang berbeza untuk mencapai operasi jalur lebar. Rajah 2d ialah transduser cakera melengkung dengan struktur rongga limpahan. Saiz rongga cecair dilaraskan dengan sewajarnya dalam reka bentuk untuk memenuhi keperluan prestasi akustik. Ia adalah transduser cakera melengkung yang digerakkan oleh galfenol, yang menggunakan struktur yang serupa dengan transduser membujur untuk merangsang getaran lenturan sinaran hadapan. 

Rajah 2 Reka bentuk baharu transduser frekuensi rendah dengan cakera melengkung

1.1.2 Transduser tegangan lentur

Konsep transduser lenturan bermula daripada paten Hayes pada tahun 1936. Mod kerja asas ialah satu atau lebih penggetar teleskopik memacu cengkerang getaran lentur untuk menjana sinaran bunyi frekuensi rendah. Penyelidikan dan aplikasi transduser flextension di negara saya telah aktif sejak akhir abad ke-20. Penyelidik telah mereka bentuk transduser fleksibel dengan pelbagai struktur. Mengikut struktur dan kaedah pengujaan, transduser lenturan terbahagi kepada tiga kategori. Kaedah pengelasan ini digunakan di sini untuk memperkenalkan secara berasingan.

 

(2) Transduser tegangan lentur dengan struktur silinder. Jenis transduser ini digerakkan oleh penggetar teleskopik membujur untuk menterjemah cengkerang getaran lentur. Cangkang bergetar transduser ialah struktur translasi, iaitu cangkang silinder pelbagai bentuk, yang digerakkan oleh satu atau lebih penggetar teleskopik membujur. Termasuk transduser flextension jenis IV dan struktur ubah bentuknya, transduser flextension jenis VII, transduser flextension empat sisi, dsb. Rajah 3a ialah struktur transduser lenturan jenis IV tipikal. Transduser lenturan jenis IV yang dipacu oleh bahan PMNT kristal tunggal ferroelektrik relaxor telah dibangunkan. Transduser lenturan jenis IV yang dipacu oleh bahan magnetostriktif gergasi nadir bumi Terfenol-D telah dibangunkan. Rajah 3b ialah reka bentuk baharu transduser lenturan jenis VII, yang dipacu oleh bahan magnetostriktif gergasi nadir bumi Terfenol-D. Kaedah pengujaan direka pada bahagian terluas dimensi melintang, dan sepasang penggetar selari direka untuk memberikan pandangan yang mendalam pada transduser jenis ini. Siri penyelidikan termasuk analisis reka bentuk prategasan, pemodelan teori, analisis modal, penyelidikan eksperimen, dsb. Rajah 3c ialah reka bentuk baharu yang dipertingkatkan bagi transduser lentur jenis IV, yang serupa dengan penambahbaikan reka bentuk transduser lentur jenis I kepada transduser lentur jenis II, menggunakan struktur cangkerang elips dengan pemacu transelektronik panjang tunggal yang memanjang. bahan PMNT, yang mempunyai ciri pengendalian jalur lebar yang lebih baik daripada transduser lenturan jenis IV am. Rajah 3d ialah reka bentuk baharu yang terawal untuk menambah baik transduser lentur jenis IV di China-transduser lentur jenis bibir ikan, yang menggunakan cangkerang elips ketinggian berubah-ubah dan menggunakan pemacu super magnetostriktif nadir bumi Terfenol- D, cangkerang bergetar berbentuk khas ini mempunyai kesan lengan tuil dan kesan penguatan dwi berwajaran tinggi. Pada masa ini, transduser lentur bibir ikan Terfenol-D telah bersiri dan direka bentuk menjadi struktur cangkerang dua untuk meningkatkan lagi kuasa penghantaran. Kuasa bunyi maksimum transduser tunggal boleh mencapai 10,000 watt, menjadikannya transduser pemancar kuasa tinggi frekuensi rendah domestik Salah satu jenis asas. Rajah 3e ialah transduser lentur segiempat pengujaan ortogon, yang menggunakan penambahbaikan reka bentuk padat, yang boleh menambah lebih banyak bahan berfungsi dalam volum terhad dan meningkatkan tahap sumber bunyi pelepasan. Rajah 3f ialah satu lagi reka bentuk baharu yang dipertingkatkan bagi transduser lentur jenis IV, serupa dengan penambahbaikan reka bentuk transduser lentur jenis I kepada transduser lentur jenis III, yang menggunakan dua cengkerang elips secara bersiri di sepanjang arah paksi panjang Secara keseluruhannya, timbunan piezoelektrik yang lebih panjang digunakan untuk menguja, supaya frekuensi resonans resonans dan getaran yang dikurangkan adalah asas bagi frekuensi resonans yang panjang. cangkang lentur, yang kondusif untuk gandingan modal untuk mencapai ciri operasi jalur lebar. Rajah 3g ialah reka bentuk baharu yang dipertingkatkan untuk penggetar pengujaan transduser lenturan jenis IV. Ia adalah transduser lenturan jenis IV yang digerakkan oleh penggetar lipatan. Struktur ini digabungkan dengan bahan perumahan ketegaran rendah boleh mengurangkan kekerapan resonans dengan berkesan.

Rajah 3 Transduser tegangan lentur dengan struktur tiang

Ia juga dikenali sebagai transduser flextension jenis labu. Ia dikaji transduser lentur jenis labu yang dipacu oleh PZT dan PZT+Terfenol-D. , Analisis simulasi parameter ciri pelepasan pengujaan bersama dijalankan. Rajah 4c ialah transduser ketegangan lentur tiub cekung yang teruja oleh gabungan magnetostriction-piezoelektrik. Dalam reka bentuk, dua elemen pengujaan, Terfenol-D dan PZT, digunakan untuk membentuk penggetar longitudinal komposit. Rajah 4d menunjukkan transduser lentur silinder cekung. ia teruja oleh tindanan berbilang piezoelektrik. Di bawah premis bahawa cangkerang kekal tidak berubah dan jumlah isipadu bahan seramik piezoelektrik adalah sama, analisis nombor yang berbeza (1-4) pemacu tindanan piezoelektrik Untuk kesan ke atas prestasi transduser, transduser tegangan lentur tiub cekung yang teruja oleh timbunan piezoelektrik tiga telah direka dan dibangunkan.

Rajah 4 Transduser lentur-tegangan badan berputar jenis panjang

Transduser lentur-tegangan badan berputar jenis rata. Jenis transduser ini didorong oleh penggetar yang mengembang secara jejari untuk memacu cengkerang getaran lentur simetri putaran. Cangkang bergetar transduser ialah struktur simetri putaran, secara amnya sepasang penutup sfera cembung atau cekung (atau penutup sfera) atau Ia terdiri daripada cakera, dsb., digerakkan oleh gelang atau penggetar cakera yang mengembang secara jejari, termasuk transduser tegangan lentur berbentuk V, transducer fleksibel transducer, dsb. diperkenalkan di sini Transduser fleksibel jenis V saiz kecil-Simbal dan transduser lentur jenis cakera . Rajah 5a ialah transduser fleksibel berbentuk V bersaiz kecil. Sepasang penutup hujung logam digerakkan oleh cakera seramik piezoelektrik yang bergetar secara jejari untuk menghasilkan getaran lentur; Rajah 5b ialah transduser flextension berbentuk cakera, yang menggunakan PZT- dalam reka bentuk. 4 Gelang seramik piezoelektrik terkutub jejari memacu cakera melengkung. Cakera dibahagikan kepada 16 sektor yang sama di sepanjang celah jejari untuk mengurangkan gandingan getaran sisi. Transduser lenturan kedua-dua bentuk struktur ini mempunyai ciri-ciri frekuensi resonans rendah, saiz geometri yang kecil, dan kecekapan elektroakustik yang tinggi.

Rajah 5 Transduser lentur-tegangan badan berputar jenis rata

1.2 Kemajuan penyelidikan transduser jalur lebar frekuensi tinggi

Selain jarak pengesanan sebagai penunjuk penting peralatan akustik bawah air, arah pembangunan lain adalah untuk mendapatkan jumlah maksimum maklumat sasaran sebagai tujuan utama. Contohnya, sonar imej beresolusi tinggi, komunikasi akustik dalam air berkadar data tinggi, dsb. Ia memerlukan operasi mod frekuensi tinggi, dan jalur frekuensi kerja adalah selebar mungkin. Oleh itu, transduser akustik bawah air jalur lebar frekuensi tinggi telah menjadi komponen utama sistem, serupa dengan optik. Kanta sistem pengimejan adalah sama.

 

Rajah 6a ialah a transduser jalur lebar frekuensi tinggi dengan lajur seramik piezoelektrik dan lapisan sepadan. Nisbah jarak seramik piezoelektrik kepada saiz seramik dan kesan bahan pengisi pada lebar jalur dikaji. Transduser jalur lebar frekuensi tinggi lapisan padanan dua yang direka dalam Rajah 6b menggunakan lajur seramik piezoelektrik untuk membentuk tatasusunan, dan kemudian menambah struktur lapisan padanan dua kali bagi lapisan logam dan bahan komposit resin untuk mencapai prestasi pelepasan akustik jalur lebar frekuensi tinggi. Rajah 6c menunjukkan transduser jalur lebar frekuensi tinggi komposit piezoelektrik 1-1-3 yang direka, yang terdiri daripada tiang piezoelektrik bersambung 1 dimensi dan tiang logam bersambung 1 dimensi yang disusun selari dalam matriks polimer bersambung 3 dimensi. Bahan komposit piezoelektrik tiga fasa terbentuk, dan transduser pemancar jalur lebar frekuensi tinggi telah dibangunkan. Rajah 6d menunjukkan transduser jalur lebar frekuensi tinggi komposit piezoelektrik 1-3 yang direka, yang menggunakan kesan gandingan mod getaran ketebalan dan mod getaran melintang urutan pertama untuk merealisasikan ciri pengendalian jalur lebar. Rajah 6e menunjukkan cincin komposit piezoelektrik yang direka bentuk transduser jalur lebar frekuensi tinggi. Gelang komposit piezoelektrik diperoleh dengan memotong gelang seramik piezoelektrik secara jejari dan menuang resin epoksi. Kemudian, dua gelang komposit piezoelektrik dengan ketebalan dinding yang berbeza diperolehi. Gelang komposit ditumpangkan untuk membentuk transduser dwi-resonan yang memancarkan jejari.

 

Rajah 6 Transduser jalur lebar frekuensi tinggi