Inovasi Teknologi dalam Pembangunan Transduser Akustik Bawah Air(1)

Inovasi Teknologi dalam Pembangunan Transduser Akustik Bawah Air

 

 

70.8% daripada luas permukaan bumi ialah lautan. Lautan yang luas adalah rumah khazanah sumber terbesar di bumi, dan lautan juga merupakan kedudukan penting untuk perjuangan ketenteraan antarabangsa. Penyelidikan, pembangunan dan penggunaan lautan tidak dapat dipisahkan daripada gelombang bunyi. Gelombang bunyi adalah satu-satunya pembawa maklumat yang boleh melakukan perjalanan jauh di lautan. Penerokaan dan pembangunan sumber marin, transduser komunikasi bawah air dan navigasi kapal, pengesanan dan pengecaman sasaran bawah air, pemantauan alam sekitar, dan ramalan d isaster semula jadi dan sebagainya semuanya bergantung pada teknologi akustik bawah air untuk dicapai. Pembangunan teknologi akustik bawah air memerlukan sokongan semua jenis transduser akustik bawah air. Misi transduser akustik bawah air adalah untuk menghantar dan menerima gelombang bunyi di bawah air, jadi ia dipanggil 'mata dan telinga peralatan akustik bawah air', yang boleh dikatakan sebagai transduser akustik bawah air. Kelahiran 'H' menandakan permulaan perkembangan teknologi hidroakustik. Kemajuan teknikal transduser hidroakustik adalah prasyarat dan asas penting untuk pembangunan pesat teknologi hidroakustik(1)

 

The transduser akustik bawah air bukanlah subjek terpencil yang mudah, tetapi bidang teknikal pelbagai disiplin. Mata pelajaran yang berkait rapat terutamanya termasuk: fizik, sains bahan, matematik, mekanik, elektronik, kimia, sains mekanikal, dsb., jadi akustik bawah air Walaupun transduser hanya mempunyai sejarah pembangunan lebih daripada seratus tahun, ia kini telah menjadi bidang subjek yang bertenaga. Keperluan mendesak dari bidang teknologi hidroakustik adalah daya penggerak langsung untuk pembangunan transduser hidroakustik, dan pembangunan bahan berfungsi dan kemajuan teknologi adalah asas bahan yang paling penting untuk pembangunan transduser hidroakustik. Sepanjang sejarah pembangunan transduser hidroakustik, untuk memenuhi keperluan teknikal yang semakin meningkat dalam bidang hidroakustik ke tahap yang paling besar, bahan berfungsi yang sepadan sentiasa dikemas kini. Orang ramai telah menjalankan penyelidikan aplikasi khas mengenai ciri-ciri pelbagai bahan berfungsi dan teknologi baru yang direka dan struktur baharu telah dicadangkan, yang telah menambah baik dan meningkatkan prestasi teknikal komprehensif transduser, yang telah membolehkan aliran hasil penyelidikan inovatif yang tidak berkesudahan pada transduser. Penulis memilih beberapa contoh penyelidikan tipikal transduser pelancaran, menganalisis dan meringkaskan idea-idea inovatif kerja penyelidikan ini dari beberapa sudut yang berbeza, dan berharap dapat memberikan bimbingan dan pencerahan tertentu kepada sarjana muda, dan meneroka secara aktif aspek mendalam kerja penyelidikan klasik.

 

1. Inovasi teknikal transduser akustik bawah air berdasarkan bahan berfungsi

 

Pada tahun 1915, Paul Langevin dari Perancis dan yang lain menggunakan pemancar kapasitor dan penerima zarah karbon untuk menjalankan eksperimen akustik bawah air. Kedua-dua peranti pemancar dan penerima ini mestilah transduser akustik bawah air yang primitif; 1917 ～ 1918 Langevin Zhiwan mereka bentuk dan menambah baik transduser kuarza. Penggetarnya terdiri daripada beberapa plat kuarza piezoelektrik yang diapit di antara dua plat keluli tebal. Struktur ini dipanggil transduser Langzhiwan. Oleh kerana kuarza semulajadi tidak dapat memenuhi permintaan yang semakin meningkat, didapati bahawa garam Rochelle kristal piezoelektrik sintetik larut air mempunyai kesan piezoelektrik yang lebih kuat daripada kuarza, tetapi masalah kestabilannya mengehadkan skop penggunaan, dan piezoelektriknya sedikit lebih rendah. Kristal Ammonium Dihydrogen Phosphate (ADP), kerana sifatnya yang agak stabil, digunakan secara meluas dalam Perang Dunia II. Pada tahun 1920, kesan magnetostrictive telah digunakan dalam transduser akustik bawah air; pada tahun 1925, transduser magnetostrictive nikel telah direka dan digunakan; pada tahun 1931, kajian mendalam tentang kepingan nikel nipis membawa kepada perkembangan pesat transduser magnetostrictive. Dan secara beransur-ansur menggantikan transduser kristal piezoelektrik; pada tahun 1944, didapati bahawa seramik barium titanate mempunyai piezoelektrik yang kuat selepas polarisasi, dan kehilangannya jauh lebih kecil daripada bahan magnetostrictive. Kemudian, transduser seramik piezoelektrik barium titanat Ia telah berkembang pesat; seramik titanat zirkonat plumbum terpolarisasi (PZT) yang ditemui pada tahun 1954 mempunyai piezoelektrik yang lebih kuat. Sehingga hari ini, seramik piezoelektrik PZT masih menjadi bahan berfungsi utama transduser akustik bawah air.

 

Pada 1970-an, Dr. Clark AE di Amerika Syarikat membangunkan aloi ternary magnetostrictive gergasi nadir bumi Terfenol-D. Sejak tahun 1990-an, bahan kristal tunggal ferroelektrik kelonggaran PZN-PT dan PMN dengan sifat elektrik voltan tinggi dan ketumpatan tenaga tinggi -PT telah ditemui satu demi satu, dan penemuan baru telah dibuat dalam penyelidikan aplikasi ketiga-tiga bahan ini. Bahagian ini akan memberi tumpuan kepada hasil penyelidikan transduser bahan berfungsi baharu ini.

 

⒈Generasi baharu bahan magnetostriktif dan transdusernya

Bahan magnetostrictive generasi baharu termasuk bahan aloi nadir bumi dan bahan aloi logam nadir. Kesan magnetostriktif gergasi bahan aloi nadir bumi pertama kali ditemui dalam keadaan suhu rendah. Strain magnetostrictive tertinggi bagi bahan Tb0.6Dy0.4 pada 77K ialah 0.65%, dan strain magnetostrictive tertinggi Terfenol-D pada suhu bilik ialah 0.25%. Terdapat dokumen yang menunjukkan bahawa transduser longitudinal dwi-omboh magnetostriktif yang digerakkan oleh gegelung superkonduktor telah dibangunkan. Rod magnetostrictive aloi nadir-bumi (terbium-dysprosium) diletakkan di dalam bilik penyaman udara (suhu 50-60K), dan menara penyejuk diedarkan dan disejukkan oleh menara penyejuk peti sejuk. Di dalam bilik, gegelung bahan superkonduktor menyediakan medan magnet pincang DC dan medan magnet pengujaan untuk merangsang rod magnetostrictive untuk menjana getaran regangan dan menghantarnya ke permukaan penyinaran jenis omboh melalui bahagian peralihan mekanikal. Permukaan penyinaran jenis omboh menolak medium air untuk menghasilkan gelombang tekanan untuk sinaran. Ruang 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 ialah 430Hz, tahap sumber bunyi maksimum ialah 181.4dB, dan kecekapan adalah kira-kira 25%. ini transduser hidrofon bawah air merumitkan proses pembuatan untuk mendapatkan keadaan kerja suhu rendah. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, orang ramai sanggup menggunakan bahan Terfenol-D yang berfungsi pada suhu bilik untuk memudahkan proses pembuatan, sambil mencapai prestasi sinaran yang cemerlang dengan struktur baharu.

 

Ia adalah transduser pemancar oktagon dipacu Terfenol-D yang disiapkan oleh Butler bersamaan dengan 1980. 16 rod nadir bumi disusun dalam dua lapisan, dan 8 rod nadir bumi dalam setiap lapisan disambungkan ke dalam oktagon melalui blok peralihan berbentuk baji dan membentuk litar magnetik tertutup, bahagian blok peralihan disambungkan dengan permukaan silinder yang terpancar5 (setengah terpancar) dan rod nadir bumi prategasan melalui wayar tegasan berkekuatan tinggi antara blok peralihan. Prategasan dalaman rod nadir bumi adalah kira-kira 13.8MPa, dan kekerapan resonan transduser dalam air Pada 775Hz, pemanduan tidak linear di bawah keadaan medan magnet pincang DC dan keadaan medan tidak berat sebelah telah dibandingkan, dan tahap sumber bunyi 189.8dB di bawah keadaan medan magnet pincang DC dan 196.2dB keadaan pemacu bukan-pincang nyata masing-masing di bawah pemacu bukan-pincang nyata.