Inovasi Teknologi dalam Pembangunan Transduser Akustik Bawah Air(2)

     Inovasi Teknologi dalam Pembangunan Transduser Akustik Bawah Air(2)

Aloi besi-gallium (Galfenol) ialah sejenis bahan magnetostriktif baharu yang telah muncul dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Ketegangan magnetostrictivenya adalah antara nikel dan Terfenol-D, pada 300ppm (ppm ialah pembolehubah mikro, mewakili ΔL/L=10- 6) Di atas, berbanding dengan Terfenol-D, ia mempunyai kelebihan kebolehtelapan relatif yang lebih tinggi (>100), kebolehmesinan yang baik, kestabilan suhu tinggi dan kekuatan tegangan yang tinggi. Oleh kerana bahan aloi besi-gallium mempunyai prestasi pemesinan yang baik dan kekuatan mekanikal yang tinggi, ia boleh digunakan untuk mereka bentuk dan memproses perumahan transduser fleksibel. Rajah 2b ialah contoh penyelidikan transduser lentur tong cekung dengan perumah aloi besi-gallium. The transduser akustik bawah air digerakkan Penggetar terdiri daripada unsur aloi besi-gallium Φ20mm×40mm dan kepingan magnet kekal neodymium-besi-boron, dan membentuk litar magnet tertutup dengan cangkerang memancar. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa tindak balas arus pelepasan transduser ialah 168.4dB (frekuensi resonans 1750Hz), yang lebih baik daripada duralumin dengan saiz geometri yang sama. Transduser perumahan (frekuensi resonan 1900Hz) dipertingkatkan hampir 5dB, yang mencerminkan kelebihan reka bentuk perumahan aktif.

 

Diterbitkan pada tahun 2000, hasil penyelidikan transduser longitudinal jalur lebar pengujaan magnetostrictive-piezoelektrik bersama. Transduser membujur dipacu bersama oleh unit Terfenol-D dan timbunan PZT, yang merealisasikan operasi jalur lebar gandingan puncak dwi resonans 1.8KHz dan 3.5KHz. Ciri-ciri, kesusasteraan juga melaporkan bahawa tatasusunan satah berkuasa tinggi 4×4 yang terdiri daripada transduser jenis ini, tahap sumber bunyi tatasusunan adalah lebih besar daripada 225dB dalam jalur frekuensi 1.5-6kHz.

 

Terfenol-D multi-unit pemacu transduser membujur, pengarang dengan bijak mereka bentuk unit pemacu, strukturnya menggunakan lengan magnet kekal untuk menggunakan medan magnet berat sebelah untuk memisahkan medan magnet statik daripada litar magnet dinamik, dan magnet dinamik Unsur magnet kekal dengan kebolehtelapan rendah dielakkan di jalan raya, dan kesan pemacu tenaga medan magnet meningkat; ialah gambar rajah fizikal unit pemacu. 4 unit pemacu sedemikian disambungkan secara mekanikal secara bersiri untuk membentuk penggantian membujur frekuensi rendah dengan penutup hadapan dan jisim ekor. Peranti tenaga, skru pusat adalah prategasan; Rajah 3c ialah gambar sebenar transduser selepas pembungkusan, frekuensi resonans transduser ialah 1.6kHz, dan tahap sumber bunyi ialah 177bB.

 

Reka bentuk litar magnet transduser magnetostrictive adalah sangat penting. Butler mengambil transduser lentur laras cekung sebagai contoh dan membandingkan kesan kerja enam skema litar magnet melalui analisis unsur terhingga. Struktur litar magnet bagi Rajah 4a-f ialah masing-masing .Rod nadir bumi berterusan ditambah penutup hujung dan lengan aksesori telap magnet besi tulen, bar nadir bumi berterusan ditambah penutup hujung aksesori telap besi tulen, bar nadir bumi berterusan tanpa aksesori telap besi tulen, gabungan rod nadir bumi dan sekeping magnet kekal ditambah telap besi tulen ditambah penutup hujung lampiran dan bahagian lengan magnet kekal, penutup hujung magnet nadir bumi dan lengan kekal, bar nadir bumi berterusan tanpa aksesori telap besi tulen, gabungan rod nadir bumi dan sekeping magnet kekal ditambah telap besi tulen ditambah penutup hujung penghujung dan sarung magnet kekal. rod bumi dan gabungan sekeping magnet kekal tanpa aksesori magnet telap besi tulen, pekali gandingan elektromekanikal yang berkesan dikira masing-masing 0.33, 0.30, 0.27, 0.23, 0.21, dan 0.20, menunjukkan bahawa pekali gandingan elektromekanikal berkesan adalah pekali gandingan nadir bumi yang berkesan bagi rod nadir bumi yang berterusan. digabungkan dengan kepingan magnet kekal. Penutup hujung dan lengan aksesori telap magnet besi tulen mempunyai kesan tertentu ke atas peningkatan prestasi gandingan elektromekanikal penggetar nadir bumi, tetapi untuk bahan pemacu dengan kebolehtelapan relatif rendah seperti Terfenol-D, peningkatan adalah kecil, dan pekali gandingan elektromekanikal yang berkesan ditentukan oleh 0.20 hingga 0.273 atau 0.373 atau 0.373

 

 

2. Generasi baharu bahan piezoelektrik dan transdusernya

Sehingga separuh pertama abad ke-20, semua bahan piezoelektrik adalah kristal tunggal. Barium titanat seramik piezoelektrik polihabluran pertama kali ditemui pada tahun 1950-an, diikuti oleh titanat zirkonat plumbum (PZT) pada tahun 1960-an. Prestasi seramik piezoelektrik ini jauh melebihi kristal tunggal awal, dan PZT sejak itu telah menjadi bahan berfungsi utama transduser akustik bawah air.

Pada pertengahan 1990-an, piezoelektrik tunggal kristal plumbum magnesium niobate-plumbum titanat (PMN-PT) dan plumbum zink niobate-plumbum titanat (PZN-PT) telah ditemui, kedua-dua bahan kristal tunggal piezoelektrik ini Ia mempunyai ketegangan tepu yang sangat tinggi (lebih daripada 1%), kehilangan rendah, dan kelebihan kuasa piezoelektrik yang tinggi (pekali greater yang lebih tinggi). dan meluaskan jalur frekuensi ke arah transduser akustik bawah air. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, bahan kristal piezoelektrik tunggal piezoelektrik (Mn: PIN-PMN-PT) plumbum indium niobate-plumbum magnesium niobate-plumbum titanat (PIN-PMN-PT) dan titanat titanat plumbum niobate-plumbum magnesium niobate-plumbum mangan ternary, yang meningkatkan lagi ciri-ciri kerja di bawah keadaan medan elektrik yang tinggi.

Aplikasi bahan kristal tunggal piezoelektrik seperti PMN-PT dalam bidang akustik bawah air bermula daripada reka bentuk dan pembangunan transduser membujur. Meyer dan yang lain telah menjalankan satu siri kerja penyelidikan, termasuk analisis terperinci transduser membujur PMN-PT 33-mod dan 32-mod, Dan kajian perbandingan dengan PZT-8. Rajah 5a ialah transduser membujur 33 mod yang digerakkan oleh timbunan 10 wafer PZT-8, Rajah 5b ialah transduser membujur 33 mod yang digerakkan oleh timbunan 3 wafer PMN-PT, dan Rajah 5c ialah 4 PMN-PT berbentuk jalur mulut panjang '32'panjang bermulut. transduser. Keputusan menunjukkan bahawa apabila PMN-PT dan PZT-8 digunakan untuk membuat transduser membujur dengan frekuensi yang sama dan tahap sumber pelepasan dan parameter lain, kristal PMN-PT Panjang tindanan hanya kira-kira 30% daripada PZT-8, yang menunjukkan kelebihan teknikal bahan kristal tunggal piezoelektrik untuk membuat transduser kecil; mod 32 boleh membuat bahan kristal tunggal dipotong mengikut orientasi prestasi terbaik, dan pada masa yang sama menggunakan gabungan jalur panjang Ia boleh mengelakkan masalah teknikal seperti mengembangkan wafer tunggal bersaiz besar, meningkatkan kebolehpercayaan dan konsistensi transduser, dan mempunyai kelebihan yang jelas untuk aplikasi tatasusunan sonar ringan frekuensi sederhana dan tinggi.

Kristal tunggal telah membangunkan a transduser pemancar silinder yang terdiri daripada cincin bertatah. Setiap gelang terdiri daripada 12 jalur berbentuk baji, dan 9 gelang dipasang padat dalam arah paksi untuk membentuk silinder. Saiz geometri (Φ20.3mm×66mm) Ia jauh lebih kecil daripada transduser seramik piezoelektrik frekuensi yang sama, dan menyedari ciri-ciri kerja jalur lebar lebih daripada 2.5 oktaf. Dokumen lain menggunakan kristal tunggal PMN-PT untuk membangunkan transduser lentur laras cekung. Penggetar pemacu transduser terdiri daripada timbunan 16 unsur terkutub paksi Φ28mm×Φ10mm×4.8mm, dan cangkang getaran aloi titanium. Tindak balas voltan pelepasan dipertingkatkan lebih daripada 5dB berbanding dengan transduser struktur yang sama bagi bahan PZT-4.

Suhu peralihan fasa trigonal-tetragon bagi kristal tunggal PMN-PT adalah agak rendah, yang mengehadkan julat penggunaannya pada tahap tertentu, terutamanya untuk aplikasi di bawah keadaan kuasa tinggi. Plumbum ternari indium niobate-plumbum magnesium niobate-plumbum titanat (PIN-PMN-PT) dan kristal tunggal doped mangan (Mn: PIN-PMN-PT) menjadikan suhu peralihan fasa bagi hablur tunggal feroelektrik relaxor jelas Meningkatkan dan mengurangkan faktor kehilangan pada masa yang sama: suhu peralihan fasa dinaikkan daripada 925°C2 kepada faktor kehilangan 16°C kepada 16°C. 0.15, dan faktor kehilangan hanya 1/2 daripada seramik piezoelektrik PZT-4 biasa. Terdapat juga literatur yang menggunakan dua kristal tunggal formula baharu ini, PMN-PT dan PZT-4 untuk membuat transduser membujur dan membandingkan ciri pengendalian kuasa tinggi mereka, yang membuktikan bahawa bahan kristal tunggal formula baharu lebih sesuai untuk keadaan kitaran tugas kuasa tinggi dan besar. Tahap sumber bunyi transduser PMN-PT adalah 5dB lebih tinggi daripada transduser PMN-PT pada frekuensi resonans. Berbanding dengan seramik piezoelektrik PZT-4, tahap sumber bunyi dan kapasiti kuasa pada frekuensi resonans pada asasnya adalah setara, dan lebar jalur kerja meningkat sebanyak 1 kali, dan tahap sumber bunyi maksimum di luar frekuensi resonans meningkat sebanyak kira-kira 6dB.

 

Penyelidikan aplikasi bahan kristal tunggal PMN-PT kebanyakannya tertumpu pada sistem pengimejan ultrasonik frekuensi tinggi perubatan. Berikut adalah hanya satu kes penyelidikan aplikasi transduser hidro-akustik Cymbal, menggunakan elemen PMN-PT Φ12.7mm × 1mm untuk memacu titanium setebal 0.25mm Penutup getaran lentur aloi telah membangunkan transduser tegangan lenturan bersaiz kecil Cymbal, yang mempunyai tindak balas voltan pelepasan 6dB lebih tinggi daripada transduser PZT-4 yang dipacu sama.

 

2. Inovasi teknikal struktur dan teknologi transduser akustik bawah air

⒈Inovasi teknikal untuk meningkatkan ciri rasuk

Dalam sonar moden, pelbagai tatasusunan asas biasanya digunakan untuk mencapai ciri pancaran yang diperlukan. Walau bagaimanapun, apabila apertur pemasangan transduser adalah terhad dan terdapat keperluan khas untuk ciri rasuk, langkah teknikal perlu diambil untuk mengawal ciri rasuk transduser. Pendekatan teknikal utama untuk penambahbaikan termasuk: aplikasi penyekat, teknologi superposisi modal menggunakan dipol dan berbilang kutub, dsb. Bahagian ini memilih beberapa contoh penyelidikan tipikal, memfokuskan pada analisis dan ringkasan penggunaan kaedah superposisi modal untuk meningkatkan ciri pancaran pencapaian Teknikal transduser.

⑴Menggunakan penyekat untuk menambah baik ciri pancaran transduser

Dalam sistem sonar awal, transduser bebas biasanya digunakan. Apabila arahan tidak dapat memenuhi keperluan, pantulan penyekat digunakan untuk mengawal rasuk penghantaran, yang terutamanya termasuk melalui penyekat rata, penyekat silinder dan penyekat sfera. Penyekat plat dan kon untuk menukar kearah arah transduser silinder, transduser omboh, transduser sfera, dsb., pada tahap tertentu memenuhi keperluan kawalan rasuk penghantaran sehala, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6, penggunaan kon berganda Penyekat reflektif melaraskan kearah pengarahan transduser toroidal magnetostrictive.

 

Terdapat kesusasteraan bahawa transduser lenturan jenis IV 3kHz diletakkan berhampiran fokus sekat reflektor parabola, supaya transduser lenturan jenis IV dengan bukan arahnya sendiri boleh mencapai ciri sinaran satu arah. Eksperimen memperoleh sudut bukaan satu sudut 83°. Kepada pancaran, perbezaan tindak balas hadapan dan belakang ialah 21dB.

⑵ Transduser arah gabungan modal

Pelbagai transduser struktur mempunyai mod getaran pelbagai pesanan yang berbeza. Transduser resonan biasanya berfungsi berdasarkan mod getaran frekuensi asas. Mod getaran yang berbeza akan sepadan dengan kaedah pengujaan yang berkesan, jadi gabungan kaedah pengujaan boleh digunakan Merealisasikan pemacuan superposisi berbilang mod getaran, untuk mencapai tujuan mengubah ciri pancaran pemancar. Mod utama yang boleh mengubah ciri pancaran transduser melalui gabungan termasuk mod monopole, mod dipol dan mod quadrupole, dsb. Mod asas ini boleh mencapai pelbagai corak directivity melalui gabungan berwajaran . Dalam bahagian ini, digabungkan dengan keputusan literatur khusus, analisis ringkas dan ringkasan teknologi pemprosesan dan kaedah pengujaan transduser struktur yang berbeza untuk mencapai superposisi modal dibuat.

Kerja pelbagai mod pengujaan secara amnya menggunakan kaedah pengujaan partition, seperti: tiub seramik piezoelektrik atau cangkerang sfera sering menggunakan kaedah elektrod belah, lihat Rajah 7a, b; transduser poligon ( cincin) magnetostrictive, menggunakan pengujaan kelebihan bebas dengan cara.

 

Butler et al. mereka bentuk dan membangunkan 'transduser modal', masih menggunakan idea reka bentuk pengujaan partition, tetapi menerobos had pembahagian komponen bebas, menggunakan 8 penggetar membujur 1/4 bebas untuk berkongsi jisim ekor, setiap transduser Permukaan penyinaran adalah permukaan arka silinder hampir 45°, dan ia secara kolektif memacu sekatan transduser dan pemancar bebas. Saiz geometri transduser tidak dihadkan oleh keadaan proses unsur bebas, dan arah membujur struktur prategasan diterima pakai pada masa yang sama. Vibrator mempunyai kelebihan teknikal untuk reka bentuk transduser pemancar arah frekuensi rendah dan berkuasa tinggi. Rajah 8 menunjukkan bentuk getaran modal asas bagi 'transduser modal'. Transduser modal berdasarkan seramik piezoelektrik PZT-8, kristal tunggal PMN-PT dan bahan magnetostriktif gergasi Terfenol-D telah direka dan dibangunkan masing-masing. Ia telah memperoleh rasuk pemancar arah kardioid dengan indeks kearah 6dB dan perbezaan 25dB dalam tindak balas depan ke belakang.

 

Ia adalah satu lagi jenis transduser pancaran arah frekuensi rendah dan berkuasa tinggi—transduser lentur yang teruja zon. Dalam reka bentuk, timbunan piezoelektrik (atau penggetar magnetostriktif) transduser tegangan-fleksi tertakluk kepada pengujaan zon, menggunakan Gabungan mod monopole dan dipol ditindih untuk membentuk pancaran pancaran arah kardioid. Rajah 9a ialah transduser lenturan jenis kearah IV 900Hz dan Rajah 9b ialah transduser lenturan jenis kearah 3kHz VII.

Kesusasteraan mengkaji transduser silinder multimod jalur lebar dengan plat penyekat (ditunjukkan dalam Rajah 10). Elektrod tiub silinder seramik piezoelektrik dibahagikan kepada dua kumpulan, dan secara bebas teruja untuk mendapatkan monopole (mod 0) dan dipol (1 mod), dan kemudian bekerjasama dengan penyekat untuk merealisasikan pelepasan arah unilateral. Kerja penyelidikan juga menggunakan hubungan fasa antara mod untuk mereka bentuk penguat kuasa bebas dan litar penalaan, melalui frekuensi rendah '0+1' dan frekuensi tinggi '0 + 1'. －1' Kawalan kombinasi modal merealisasikan ciri-ciri kerja jalur lebar. Transduser menggunakan 4 tiub bulat piezoelektrik PZT-4 Φ38.2mm×Φ31.8mm×19mm pada arah ketinggian, dan saiz selepas pembungkusan ialah Φ48mm×79mm. Sekat diperbuat daripada dua keping getah berlapis berlapis gabus untuk membentuk permukaan separa berlapis tebal gabus. 6mm, dan tindak balas voltan pelepasan turun naik sebanyak 6dB dalam jalur frekuensi 26-46kHz.

2. Inovasi teknikal untuk meningkatkan ciri frekuensi

Dengan lanjutan berbilang arah arah aplikasi teknologi akustik bawah air, julat frekuensi kerja sistem sonar aktif telah terus dikembangkan. Antaranya, frekuensi kerja sonar imej resolusi tinggi telah ditingkatkan kepada 106Hz, dan jalur frekuensi kerja pengesanan jarak jauh ultra dan sonar komunikasi adalah lebih rendah. Di bawah 100 Hz; sebaliknya, pembangunan pemprosesan maklumat sonar memerlukan jalur frekuensi kerja transduser seluas mungkin. Oleh itu, transduser frekuensi rendah dan transduser jalur lebar telah menarik banyak perhatian dalam bidang akustik bawah air dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dan hasil penyelidikan agak kaya. Namun begitu, masih banyak masalah teori dan teknikal yang belum dapat diselesaikan dengan baik. Aspek ini akan tetap menjadi tumpuan penyelidikan dan tumpuan pembangunan masa hadapan. Bahagian ini memilih kerja penyelidikan ke arah transduser frekuensi rendah dan transduser jalur lebar, dan menganalisis serta meringkaskannya. Idea inovatif dan pencapaian teknologi baharu.

⑴ Reka bentuk inovatif transduser frekuensi rendah

①Pembengkokan getaran transduser frekuensi rendah

Masalah teknikal pertama yang dihadapi oleh pembangunan transduser frekuensi rendah ialah saiz geometri. Secara amnya, kekerapan kerja transduser resonan adalah berkadar songsang dengan saiz geometri, iaitu, semakin rendah frekuensi transduser, semakin besar saiz geometri, seperti penukaran membujur 500Hz. Panjang peranti tenaga adalah kira-kira 3m. Getaran lentur boleh mengurangkan saiz geometri transduser frekuensi rendah dengan berkesan. Antaranya, transduser yang peranti berfungsi secara langsung mengambil bahagian dalam getaran lentur terutamanya termasuk transduser rasuk lentur, transduser cakera lentur, dsb.

Rajah 11a menunjukkan struktur rasuk lentur tiga susunan biasa. Sekeping jalur seramik piezoelektrik ditampal pada bahagian atas dan bawah rasuk lentur. Apabila salah satu jalur seramik piezoelektrik meregang dan satu lagi mengecut apabila teruja, rasuk logam di bahagian tengah akan menghasilkan getaran lentur. Penukaran tenaga jenis ini Peranti perlu didedahkan kepada air pada satu sisi untuk memancarkan gelombang bunyi, jadi biasanya beberapa rasuk melengkung digabungkan untuk membentuk rongga udara, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 11b, setiap permukaan pancaran bergetar mengikut fasa.

 

Prinsip kerja yang serupa dipanggil transduser cakera melengkung dengan struktur cakera, yang juga termasuk struktur tiga lapis dan berlapis dua. Rajah 11c menunjukkan transduser cakera melengkung padat yang terdiri daripada sepasang kepingan berlapis dua. (Bender). Analisis sistem Delany menyelidik ciri pengendalian frekuensi rendah, saiz kecil dan berkuasa tinggi Bender.

Pembangunan transduser frekuensi rendah getaran lentur juga termasuk transduser toroid pisah struktur baharu (ditunjukkan dalam Rajah 12). Transduser toroidal berpecah boleh dianggap sebagai transduser rasuk lentur khas. Struktur asal telah dicadangkan oleh Harris pada tahun 1957. Rasuk cincin komposit terdiri daripada cincin seramik piezoelektrik dalam dan cincin logam luar. Pemodelan dan analisis transduser adalah berdasarkan 'model garpu tala' yang ditunjukkan dalam Rajah 12b, dan elemen pemacu telah dilaraskan kepada struktur belah. Transduser cincin belah boleh direka bentuk dengan saiz yang lebih besar, dan jisim boleh dilaraskan melalui ketegaran taburan ketebalan untuk mencapai pengoptimuman frekuensi operasi dan ciri sinaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 12c.

 

②Transduser tegangan lentur

Konsep transduser flextension bermula daripada paten Hayes pada tahun 1936. Selepas Toulis menerbitkan paten transduser flextension jenis IV pada tahun 1966, penyelidikan dan aplikasi transduser flextension mula aktif, dan terdapat lebih daripada separuh daripadanya setakat ini. Dalam abad sejarah perkembangan , pelbagai bentuk struktur transduser lentur telah dilahirkan, dan prinsip kerja serta proses strukturnya penuh dengan idea reka bentuk yang inovatif. Kita tidak boleh memperkenalkan mereka satu demi satu dalam susunan kronologi perkembangan mereka, hanya transduser flextension. Struktur dan kaedah insentif syarikat dibahagikan kepada tiga kategori berikut, yang dianalisis dan diringkaskan secara ringkas.

△Transduser tegangan-lentur dengan struktur silinder. Jenis transduser ini digerakkan oleh penggetar teleskopik membujur untuk menterjemah cangkerang getaran lentur, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 13. Cangkerang bergetar transduser ialah struktur translasi, iaitu permukaan silinder pelbagai bentuk, digerakkan oleh satu atau lebih penggetar teleskopik membujur, a ialah peranti lenturan transducer VIIcer IV, b adalah transducer tenaga jenis IV. 'berbentuk bintang' transduser tegangan lentur yang digerakkan oleh tindanan piezoelektrik ortogon, dan transduser tegangan lentur 'berbentuk bintang' yang digerakkan oleh penggetar magnetostriktif segiempat. Memandangkan transduser jenis ini mudah untuk mereka bentuk penggetar pengujaan terbahagi, transduser lentur arah yang diterangkan di atas secara amnya memilih jenis struktur ini.

△Transduser tegangan-lentur dengan badan berputar panjang. Jenis transduser ini digerakkan oleh penggetar teleskopik membujur untuk memacu cangkang getaran lentur simetri putaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 14. Cangkerang bergetar transduser ialah struktur simetri putaran, termasuk satu siri rasuk laras yang diedarkan di sepanjang lilitan, yang secara amnya digerakkan oleh pembujur. Rajah 14a dan b ialah bentuk cembung bagi struktur transduser lentur jenis I dan struktur cekung; seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 14c, penggetar pengujaan membujur transduser dipanjangkan dalam arah paksi untuk meningkatkan isipadu bahan berfungsi untuk berkembang menjadi transduser lenturan jenis II; seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 14d, cengkerang getaran lentur direka bentuk Dalam bentuk dua atau lebih bahagian, ia dibangunkan menjadi transduser lenturan jenis III. Kedua-dua transduser lentur jenis II dan jenis III mempunyai struktur cekung yang sepadan.

△Transduser tegangan-lentur dengan badan berputar rata. Jenis transduser ini digerakkan oleh penggetar yang mengembang secara jejari untuk memacu cengkerang getaran lentur simetri putaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 15. Cangkerang bergetar transduser ialah struktur simetri putaran, secara amnya sepasang mahkota sfera cembung atau cekung (atau gelang berbentuk sfera, atau gelang bergetar cakera), 15a menunjukkan gelang Pemacu transduser lentur jenis V, b ialah transduser lentur jenis V dipacu wafer, c ialah transduser lentur jenis VI, d dan e ialah transduser lentur kecil yang dibangunkan berdasarkan struktur b Peranti itu dipanggil transduser Cymbal.

△ Transduser frekuensi rendah struktur rongga. Resonator Helmholtz ialah bentuk asas bagi struktur rongga transduser akustik bawah air, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 16. a, b, dan c ialah tiga struktur asas resonator Helmholtz, yang menggunakan pengujaan tiub seramik piezoelektrik, pengujaan cakera lentur dan pengujaan bola seramik piezoelektrik. Resonator Helmholtz secara amnya mempunyai jalur frekuensi kerja yang sempit, dan d digunakan berdasarkan b Permukaan kerja berganda cakera melengkung merangsang rongga resonan volum berbeza untuk merealisasikan operasi resonans berganda. Kesusasteraan menubuhkan model analisis resonator Helmholtz yang lebih lengkap, dan menganalisis hubungan antara ciri kerja dan parameter struktur resonator Helmholtz 300HZ. Morozov et al. mereka bentuk sumber bunyi organ paip bawah air (ditunjukkan dalam Rajah 17). Reka bentuk Rajah 17a merealisasikan penalaan frekuensi dengan menggerakkan lengan untuk menukar impedans sistem resonans. Kekerapan penalaan berjulat dari 225 hingga 325 Hz, dan kecekapan adalah sehingga 80% atau lebih, mencerminkan sistem Q (faktor kualiti) tinggi dengan ciri kecekapan tinggi; Rajah 17b Reka bentuk menggunakan struktur tiub dua dengan sumber bunyi sfera terbina dalam untuk mencapai resonans dwi-frekuensi. Resonans frekuensi rendah ialah resonans rongga yang terdiri daripada lengan keratan dua. Resonans frekuensi tinggi hanyalah resonans yang sepadan dengan tiub resonans dalam. Lengan luar dan tiub resonans dalam boleh Gunakan aluminium logam atau bahan gentian karbon bukan logam.

⑵ Reka bentuk inovatif transduser jalur lebar

Dalam sejarah perkembangan teknologi akustik bawah air, pelbagai bentuk struktur transduser akustik bawah air telah dihasilkan, masing-masing dengan ciri kerja yang ditentukan oleh ciri strukturnya. Untuk menyesuaikan diri dengan keperluan kejuruteraan aplikasi jalur lebar, hampir setiap transduser struktur berhadapan dengan masalah teknikal reka bentuk jalur lebar dan penambahbaikan proses. Antaranya, transduser longitudinal adalah salah satu bentuk struktur transduser yang paling biasa dalam bidang transduser jalur lebar bawah air . Hasil penyelidikan reka bentuk dan aplikasi jalur lebar agak kaya. Prinsip teknikal reka bentuk jalur lebar transduser struktur lain pada dasarnya adalah serupa. Bahagian ini memberi tumpuan kepada satu siri idea reka bentuk baharu berdasarkan transduser membujur untuk mencapai ciri jalur lebar.

① gabungan jalur transduser membujur jalur lebar

Aplikasi gabungan jalur frekuensi telah pun bermula pada peringkat awal pembangunan teknologi sonar. Kerja awal dilihat pada tahun 1940-an. Tiga transduser longitudinal magnetostrictive dengan frekuensi resonans yang berbeza telah digunakan untuk memacu plat pancaran segi empat tepat dan enam transduser dalam susunan tangga. Didorong oleh gegelung penggulungan biasa (ditunjukkan dalam Rajah 18), frekuensi resonans bebas transduser masing-masing adalah 21.5, 23 dan 24.5kHz, Q=12, dan Q=4 selepas gabungan. Walaupun kaedah gabungan jalur frekuensi ini bukan sahaja transduser jalur lebar, ia masih digunakan secara meluas dalam bidang akustik bawah air, terutamanya dalam sistem akustik seperti simulasi hingar dan umpan akustik. Gabungan peranti merealisasikan ciri pelepasan jalur lebar ultra.

 

② Modal gandingan transduser membujur jalur lebar

Penutup hadapan transduser membujur biasanya diandaikan bergetar mengikut cara omboh dalam analisis model satu dimensi, iaitu, tiada getaran lentur berlaku. Apabila tanduk permukaan pancaran transduser agak lebar, ia mesti disertakan dengan getaran lentur, yang munasabah Menggunakan mod getaran lentur penutup hadapan untuk menggabungkannya dengan mod getaran membujur secara berkesan, transduser membujur jalur lebar boleh direka bentuk. Kesusasteraan telah mengkaji kesan gandingan getaran lentur dan getaran membujur plat penutup memancar persegi, dan mereka bentuk transduser jalur lebar. Dalam literatur lain, cakera bergetar dan lentur dibenamkan dalam penutup sinaran, dan cakera lentur digabungkan dengan mod getaran transduser membujur, dan transduser jalur lebar direka bentuk dan dibangunkan seperti ditunjukkan dalam Rajah 19a. Timbunan piezoelektrik transduser membujur boleh direka bentuk dalam berbilang kumpulan. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 19b, ia adalah struktur asas transduser yang menggunakan gandingan mod pengujaan dwi untuk mencapai operasi jalur lebar. Butler adalah berdasarkan struktur transduser longitudinal pengujaan dwi. Pembangunan yang mendalam, seperti penggunaan pengujaan berganda hibrid magnetostrictive dan piezoelektrik untuk mereka bentuk transduser membujur jalur lebar, dan penutup hadapan untuk menampal lapisan padanan panjang gelombang 1/4, dan mereka bentuk mod resonans tertib ketiga yang menggandingkan transduser membujur jalur lebar ultra-lebar Peranti, seperti ditunjukkan dalam Rajah 19c, jalur frekuensi kerja 1Hz.

③Transduser longitudinal jalur lebar ditambah dengan rongga cecair

Reka bentuk tipikal gandingan antara transduser longitudinal dan rongga cecair ialah transduser Janus-Helmholtz (ditunjukkan dalam Rajah 20). Transduser membujur menggunakan struktur penyinaran dua hujung, dipanggil Janus, dengan lengan silinder direka bentuk untuk membentuk rongga resonan Helmholtz di antara kepala penyinaran dua kali Janus; transduser resonan rongga cecair am mempunyai jalur frekuensi kerja yang sempit. Dalam aplikasi bersama Janus, penghantaran jalur lebar boleh direalisasikan melalui reka bentuk pengoptimuman gandingan modal.

Gall mereka bentuk dua transduser Janus-Helmholtz, 300Hz dan 160Hz, dan mengkaji secara mendalam kesan penambahan tiub patuh dalam rongga resonan Helmholtz pada ciri pengendalian jalur lebar transduser.

⒊Inovasi teknikal untuk meningkatkan kuasa bunyi yang dipancarkan

Cara langsung untuk meningkatkan kuasa bunyi transduser akustik bawah air adalah dengan meningkatkan volum transduser, menambah bilangan, dan membentuk matriks padat rapat. Kaedah yang paling berkesan ialah menggunakan bahan berfungsi berketumpatan tinggi tenaga. Bab sebelumnya telah menerangkan penggunaan bahan berfungsi ketumpatan tenaga tinggi. Bahagian ini memberi tumpuan kepada inovasi teknikal dalam struktur dan proses transduser kuasa tinggi volum kecil.

Dalam menerangkan kelebihan dan kekurangan saiz kecil dan ciri kuasa tinggi transduser, angka jumlah merit biasanya digunakan untuk mengukur, iaitu

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Formula ⑴ mentakrifkan faktor merit isipadu bagi jenis transduser tertentu, di mana: Wa ialah kuasa bunyi (W), V ialah isipadu transduser (m3), f0 ialah frekuensi resonans (Hz), Q ialah faktor kualiti, Faktor merit isipadu peranti berkait rapat dengan struktur dan bahan berfungsi. Delany mereka bentuk dan membangunkan transduser cakera melengkung padat (Bender), dan secara sistematik menganalisis dan mengkaji ciri-ciri kerja operasi frekuensi rendah, saiz kecil dan berkuasa tinggi Bender.

 

 

Terdapat literatur yang mereka bentuk transduser tegangan lentur jenis I (jenis tong cekung) struktur cekung menjadi gabungan yang lebih padat, yang membolehkan beberapa gugusan transduser dalam volum terhad untuk memaksimumkan anjakan volum dan mencapai ciri Kuasa yang besar, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 21, puncak 6 transduser lentur jenis I dikelompokkan bersama-sama 'titik-titik bintang' 'refleks bintang' transduser, yang mempunyai ciri-ciri struktur padat, frekuensi rendah, kuasa tinggi dan jalur frekuensi lebar: frekuensi resonans asas Tindak balas voltan hantaran pada 1.15kHz ialah 127dB, omnidirectional, dan tindak balas voltan hantaran daripada 800Hz hingga 10kHz adalah lebih besar daripada 120dB. Parameter FOMv tidak diberikan dalam literatur, dan ia dijangka bersamaan atau lebih tinggi daripada transduser lenturan 'berbentuk bintang' .

Reka bentuk dan analisis di atas untuk mengejar saiz kecil dan kuasa tinggi pada asasnya bermula dari had elektrik dan mekanikal, dan hanya mempertimbangkan ketumpatan tenaga bahan berfungsi dan had getaran struktur. Apabila transduser memerlukan nadi yang panjang atau operasi berterusan, haba dan pelesapan haba transduser akan menjadi masalah terbesar di bawah keadaan kuasa tinggi. Pada masa ini, had haba adalah faktor utama yang menyekat kuasa muktamad transduser. Had haba transduser adalah salah satu isu asas penting yang dibimbangkan dalam kejuruteraan. Sama seperti butiran proses transduser, tidak banyak kertas penyelidikan yang dilaporkan secara terbuka. Terdapat literatur untuk memodelkan dan menganalisis masalah terma transduser frekuensi rendah dan kuasa tinggi, dan membincangkan masalah pengaliran haba Janus-Helmholtz dan transduser lentur Jenis IV. Apabila transduser berfungsi dalam air cetek, terutamanya frekuensi rendah dan penghantaran kuasa tinggi, meningkatkan kuasa bunyi juga akan dihadkan oleh had akustik faktor peronggaan. Di bawah latar belakang ini, kaedah meningkatkan kuasa transduser tunggal tidak lagi berkesan. Tatasusunan asas juga akan dihadkan, supaya terdapat hanya satu cara untuk membentuk tatasusunan asas yang jarang.

Oleh itu, apabila mereka bentuk transduser frekuensi rendah dan berkuasa tinggi, adalah perlu untuk memilih bentuk struktur dan bahan fungsi pemanduan secara rasional, dengan mengambil kira faktor seperti had elektrik, had mekanikal, had terma, dan had akustik, dan membuat analisis keseluruhan dan pengoptimuman menyeluruh. Terdapat hubungan optimum antara kuasa had dan isipadu transduser. Penyelidikan mendalam mengenai perkara ini akan menjadi salah satu arahan teknikal transduser frekuensi rendah dan kuasa tinggi pada masa hadapan.

 

⒋Inovasi teknologi untuk meningkatkan rintangan tekanan hidrostatik

Pada masa ini, komuniti akademik telah mencadangkan idea pembangunan seperti lautan telus dan lautan bermaklumat. Matlamatnya adalah untuk membolehkan teknologi maklumat bawah air meliputi semua penjuru lautan, termasuk kawasan kutub dan parit abyssal. Oleh itu, mereka mengemukakan keperluan untuk penggunaan transduser akustik bawah air dengan lebih mendalam. Malah mencabar keupayaan untuk bekerja di laut dalam. Kapasiti rintangan tekanan hidrostatik transduser berkait rapat dengan struktur transduser, terutamanya untuk transduser pelepasan frekuensi rendah dengan ketegaran struktur yang rendah. Menyelesaikan teknologi struktur rintangan tekanan hidrostatik telah menjadi topik penting dalam bidang teknologi transduser semasa. Kaedah dan kaedah yang berkesan semasa untuk menyelesaikan kedalaman kerja terutamanya termasuk pengisian bendalir, pengisian bendalir padanan tiub patuh, sokongan struktur semula jadi, pampasan silinder gas tekanan tinggi, pampasan beg udara, dan lain-lain, pada kedalaman kerja melebihi 1000m, satu-satunya kaedah teknikal yang berkesan ialah teknologi pengisian bendalir, termasuk Jenis limpahan bebas secara langsung menggunakan air laut atau air isian sebagai bahan pengisi minyak yang terhalang secara langsung; dalam 1000m, tiub pematuhan tahan tekanan boleh digunakan dalam rongga cecair pada masa yang sama untuk meningkatkan pematuhan rongga cecair; Dalam 200m, sokongan semula jadi struktur boleh menahan tekanan hidrostatik. Sesetengah transduser dengan ketegaran struktur yang sangat rendah (seperti transduser gegelung bergerak) boleh menggunakan silinder udara tekanan tinggi untuk memberikan pampasan tekanan. Secara amnya, dalam 100m, pampasan beg udara boleh digunakan. Transduser struktur rongga yang diperkenalkan di atas secara amnya boleh direka bentuk sebagai mod kerja berisi bendalir untuk mencapai kerja air dalam. Dalam bahagian ini, beberapa contoh aplikasi reka bentuk struktur berisi minyak diberikan.

 

Kerja penyelidikan Kendig yang diterbitkan pada tahun 1965, gabungan aplikasi 4 PZT - 4 piezoelektrik seramik pemacu cakera membujur transduser, diisi dengan minyak silikon untuk melindungi lompang yang terbentuk antara cangkerang keluli (termasuk plat getah pemancar bunyi) dan transduser Rongga disambungkan dengan ruang bendalir belakang. Getah telap bunyi hujung hadapan dan tingkap getah hujung belakang bersentuhan dengan air laut untuk mencapai keseimbangan tekanan dalaman dan luaran. Jalur lebar kerja transduser ialah 30-50kHz, dan kerja dalam julat tekanan hidrostatik 0-6.9MPa telah dikaji secara eksperimen. Ciri, kaedah keseimbangan tekanan ini masih digunakan dalam banyak tatasusunan sonar air dalam. Rajah 22b menunjukkan transduser toroidal limpahan bebas dengan struktur berisi minyak. Cincin seramik piezoelektrik digantung dalam lengan getah poliuretana, dan bahagian dalamnya diisi dengan minyak silikon untuk mencapai keseimbangan tekanan dengan dunia luar. Lengan getah poliuretana adalah bahan pemancar bunyi yang ideal, transduser jenis ini mempunyai ciri-ciri kerja yang sama seperti bentuk salutan infusi langsung getah poliuretana. Untuk tiub bulat PZT-4 Φ 150mm ×Φ 140mm × 50mm, analisis simulasi dan kajian eksperimen getah poliuretana dalam julat frekuensi 5 ～ 10kHz Bahan lengan digantikan dengan aloi titanium atau keluli. Akibatnya, aloi titanium mengurangkan tindak balas voltan pelepasan kira-kira 6dB, dan keluli mengurangkan tindak balas voltan pelepasan kira-kira 12dB.

 

3. Kesimpulan

Melihat kepada sejarah pembangunan teknologi transduser selama seratus tahun, dari kelahiran transduser piezoelektrik yang pertama kepada perkembangan pesat teknologi transduser moden, inovasi teknologi dalam transduser akustik bawah air telah kerap muncul. Matlamat utama inovasi dan pembangunan teknologi transduser termasuk: memudahkan proses yang kompleks, menerobos kesesakan teknikal, menulis semula had teknikal, meningkatkan prestasi teknikal yang komprehensif, mencadangkan konsep baharu dan mekanisme baharu, menjana dan membangunkan arah teknikal baharu, dan mendalami dan menyempurnakan teori Sistem disiplin transduser dan sebagainya. Artikel ini memperkenalkan beberapa kes penyelidikan yang mencerminkan reka bentuk inovatif dan ketukangan indah transduser dari aspek aplikasi bahan baharu, struktur dan teknologi transduser baharu, dsb.