Ontwikkeling van akoestische onderwatertransducers voor onderwaterdetectietoepassingen

De De akoestische onderwatertransducer is het belangrijkste hulpmiddel dat geluidsgolven gebruikt om onderwaterdoelen te detecteren, identificeren en lokaliseren, of om onder water te communiceren en rapporten te verzenden. De transducer die wordt gebruikt om geluidsgolven uit te zenden, wordt een zender genoemd. Wanneer de transducer zich in de uitzendende toestand bevindt, zet deze elektrische energie om in mechanische energie en vervolgens in akoestische energie. Momenteel hebben conventionele transducerarray-elementen ontworpen met piëzo-elektrische materialen, vooral laagfrequente transducers, een groot volume en gewicht vanwege hun structurele kenmerken, die niet alleen de productie-, gebruiks- en onderhoudskosten verhogen, maar ook speciale kenmerken voor het platform bieden. Vereist en beperkt de schaal en vorm van formatie, waardoor tactieken en technische indicatoren worden beperkt. Hoe het probleem van de grootte en vorm van de akoestische array op te lossen, hoe het structurele ontwerp van de laagfrequente en hoogfrequente sonararrays te verenigen, en op basis van de nieuwe array-elementstructuur, door grootschalige conforme arrays te combineren om het geluid te verbeteren. De verschillende technische indicatoren van de Naji Array zijn ongetwijfeld een dringende noodzaak om de gevechtsprestaties van het platform en de onderwaterwapens te spelen en de onderwatergevechtsmogelijkheden van ons leger te verbeteren.

 

1 Nieuw type piëzo-elektrische composiettransducer

Figuur 3.1 Array-element en dwarsdoorsnede van de piëzo-elektrische composiettransducer van de maanknop

Afbeelding 3.2 Array-element en dwarsdoorsnede van de bekkentransducer

Maanknop-type piëzo-elektrische akoestische onderwatertransducers (Figuur 3.1) en piëzo-elektrische composiettransducers van het cimbaaltype (Figuur 3.2) zijn de meest representatieve flextensionele transducers die momenteel in het buitenland worden gebruikt. De piëzo-elektrische composiettransducers van deze twee structuren zijn genoemd naar de vorm van hun metalen eindkappen. De metalen eindkapholte van de maanknopstructuur is van het maanknoptype, terwijl de metalen eindkapholte van de cimbaalstructuur van het cimbaaltype is en de holte van lucht is. Ze zijn allemaal gemaakt van een composiet van metaal en piëzo-elektrische keramiek. Metaal-piëzo-elektrische keramische composietmaterialen worden gecombineerd met piëzo-elektrische keramiek door plaatvormige, schaalvormige en kapvormige metalen om de spanningsverdeling in de keramiek te veranderen, waardoor de prestaties van piëzo-elektrische materialen worden verbeterd. De belangrijkste kenmerken zijn een eenvoudig ontwerp, eenvoudige verwerking en lage kosten. De piëzo-elektrische composiettransducer van de maanknop en de piëzo-elektrische composiettransducer van het cimbaal vertonen goede piëzo-elektrische prestaties. Deze structuur verandert de spanningsverdeling van het keramische grensvlak door de spanningsconversie tussen het dopvormige metaal en het keramische grensvlak, en maakt het composietmateriaal. De longitudinale piëzo-elektrische prestaties en de transversale piëzo-elektrische prestaties produceren een additief effect, waardoor de piëzo-elektrische koppelingsprestaties dh van het materiaal aanzienlijk worden verbeterd. Onder hen is de dh van het composietmateriaal van de maanknopstructuur 10-20 keer hoger dan die van piëzo-elektrische keramiek. De kapstructuur kan 30-40 keer hoger zijn dan die van piëzo-elektrische keramiek. De prestatievergelijking van maanknop- en kapvormige metaal-piëzo-elektrische keramische composieten en piëzo-elektrische keramiek wordt weergegeven in Tabel 3.1.

 

2 Bekkentransducer

Afbeelding 4.1 Doorsnede van de basisstructuur van het array-element van de bekkentransducer

Figuur 4.2 De radiale verplaatsing van de keramische chip van het bekkenarray-element wordt omgezet in de verplaatsing in de dikterichting van de metalen kap

Structuur van het array-element: De basisstructuur van het array-element wordt weergegeven in figuur 4.1. Het wordt gevormd door het verbinden van twee stukken metaalplaat die in de vorm van een cimbaal zijn gestempeld, en een piëzo-elektrische keramische plaat. Het materiaal van de metalen plaat kan een titaniumlegering, messing, gelegeerd staal, enz. Zijn. Het gebruik van een titaniumlegering als metaalplaatmateriaal kan ervoor zorgen dat het bekkenelement beter bestand is tegen waterdruk. Voor de elementdiameter dp=10 mm geldt de bekken onderwater akoestische transducer is bestand tegen de druk op een diepte van 600 meter. Materialen van titaniumlegeringen zijn echter duurder dan materialen van messing en gelegeerd staal. Daarom zijn materialen van titaniumlegeringen relatief beperkt als er geen rekening wordt gehouden met de waterdiepte. Vergeleken met materialen van gelegeerd staal hebben koperen bekkenarray-elementen betere piëzo-elektrische eigenschappen wanneer ze gelijktijdig worden toegepast op cimbaalarray-elementen. De materialen van piëzo-elektrische keramiek omvatten ook voornamelijk PZT-4, PZT-8 en PZT-5. Wanneer bekkentransducers worden gebruikt als zendtransducers, worden PZT-4 en PZT-8 piëzo-elektrische keramiek gewoonlijk gebruikt als ontvangsttransducers. Bij gebruik wordt gewoonlijk PZT-5 piëzo-elektrische keramiek gebruikt. Werkingsprincipe: Wanneer er spanning wordt aangelegd op de twee polen van het bekkenarray-element, zal het piëzo-elektrische keramiek longitudinale en laterale trillingen produceren. De longitudinale trilling van het piëzo-elektrische keramiek zorgt ervoor dat de twee metalen platen van het array-element direct longitudinale verplaatsing veroorzaken; Door de zijdelingse verplaatsing wordt de metalen plaat in radiale richting samengedrukt of uitgezet. Door de speciale vorm van het bekken veroorzaakt dit ook een longitudinale verplaatsing van de bovenkant van de metalen plaat, zoals weergegeven in figuur 4.2. Zowel de longitudinale als de radiale verplaatsing van het piëzo-elektrische keramiek zal ervoor zorgen dat de metalen eindkap een longitudinale verplaatsing produceert, en het resultaat van de superpositie van de twee verplaatsingen is de verplaatsing van de metalen eindkap, wat resulteert in de versterking van de verplaatsing van de metalen eindkap.

 

3 Kenmerken en toepassingsmogelijkheden van bekken piëzo-elektrische akoestische onderwatertransducer

3.1 Kenmerken van piëzo-elektrische cimbaaltransducer

1) Het array-element is klein van formaat, heeft een hoge statische druk en een piëzo-elektrische coëfficiënt, is gemakkelijk aan te passen aan het watermedium en heeft een zeer grote bandbreedte; Onder hen worden het concave array-elementontwerp en het speciale hydrostatische balansontwerp gebruikt om de werkdieptelimiet van de basisarray te doorbreken.

2) Zorg voor een soort alomvattende akoestische sensoren en arrays voor onderwaterplatforms en onderwaterwapens. Dit type akoestische array is klein van formaat, licht van gewicht en heeft een breed scala aan toepassingen. Claim.

3) Vanwege de kleine en lichte eigenschappen van de nieuwe bekkenarray kan deze op grote schaal worden geassembleerd.

4) Gebruik de ontwerptheorie van de cimbaalarray-elementen en speciale software om de arraystructuur van elke frequentieband te verenigen in een cimbaalstructuur van verschillende schalen, zodat elke frequentieband kan worden geoptimaliseerd en ontwikkeld

Het vermijdt ook onnodige en vervelende tests en vormt een snelle en uniforme nieuwe ontwerp- en ontwikkelingsmethode voor de bekkenarray. Met behulp van deze methode zullen, naast het ontwikkelen van producten met vergelijkbare werkfrequenties, ook nieuwe laagfrequente en hoogfrequente array-elementen en basisarrays worden ontwikkeld die in verschillende frequentiebanden werken.

 

3.2 Toepassingsperspectieven

1) Onderwatercommunicatie: Omdat de cimbaal-sonar-transducer de kenmerken heeft van klein formaat, lichtgewicht, gemakkelijke inzet, hoge gevoeligheid, enz., kunnen de cimbaal-sonar-array-elementen worden gevormd tot een lineaire array voor onderwatercommunicatie, of als een onderwatercommunicatiesysteemeenheid zet een onderwatercommunicatienetwerk op om onderwatercommunicatie over grote gebieden en lange afstanden te realiseren, en kan de onderwaterverdedigingspositie onmiddellijk veranderen op basis van gevechtsbehoeften, waardoor onderwatercommunicatie snel en flexibel wordt.

2) Gebruikt voor torpedogeleiding: bekkensonar heeft een hoge ontvangstgevoeligheid. Cimbaal-sonar kan worden toegepast op passieve torpedo's om het volgen en begeleiden van torpedo's te realiseren.

3) Gebruikt voor onderzeeërontvangstsonar: de cimbaalsonararray-elementen kunnen worden gevormd tot een gemeenschappelijke array, die op de kop of zijkant van de onderzeeër kan worden aangebracht om de functies van detectie en positionering uit te voeren.

4) Anderen: kunnen worden gebruikt als sleepsonar, mijnvermijdingssonar, dompelsonar, enz.