Nieuw type akoestische onderwatertransducer en nieuwe technologie van transducer

Akoestische golven zijn de enige drager waarover mensen beschikken die informatie en energie over lange afstanden in de uitgestrekte oceaan kunnen overbrengen. Op het land gebruiken mensen elektromagnetische golven om radars te ontwikkelen. Op dezelfde manier gebruiken mensen akoestische golven als informatiedragers om onderwaterdoelen voor detectie te ontwikkelen, en elektronische apparatuur voor positionering, identificatie en communicatie-sonar. Met uitzicht op de uitgestrekte oceaan heeft sonar een belangrijke missie die alle uithoeken van de uitgestrekte oceaan bereikt, verschillende dingen erin identificeert, die mensen het ware gezicht van de onderwaterwereld vertellen en mensen helpen bij het verkennen van de mysteries van de oceaan, om onderwatercommunicatienavigatie, aquatische visserij, ontwikkeling van mariene hulpbronnen, mariene geologie en geomorfologische verkenning te worden. De reden waarom geluidsgolven de beste onderwaterinformatiedrager worden, is dat in watermedia geluidsgolven de kleinste verzwakkingscoëfficiënt hebben vergeleken met andere fysieke velden zoals elektromagnetische golven, en kunnen over lange afstanden worden verzonden. Dit voordeel maakt sonar door ultrasone golven te gebruiken om vanaf het begin onder water te observeren. Het doel begint en blijft zich ontwikkelen. Momenteel is de werkfrequentieband van sonar uitgebreid tot een breed bereik. Actieve sonar is uitgebreid van tientallen Hz tot tientallen MHz, en de laagfrequente kant van passieve sonar is uitgebreid naar het infrageluidbereik. In zo'n brede frequentieband wordt volgens de regelgeving het belangrijke apparaat dat geluidsgolven stimuleert en genereert in de vorm van signalen en geluidsgolven in water waarneemt en ontvangt zonder vervorming, sonartransducer of sonararray genoemd. Deze apparaten vormen de front-endapparatuur van het sonarsysteem, evenals het 'venster' waardoor het sonarsysteem kan communiceren met het watermedium en informatie kunnen uitwisselen, en zijn de 'realizers' van de functies van het sonarsysteem, voor sonartransducers of sonararrays. Er wordt levendig naar verwezen als de 'ogen en oren' van het sonarsysteem. Met de voortdurende uitbreiding van het toepassingsgebied van sonartechnologie en de steeds toenemende vraag naar militaire confrontatie en strijd zijn er de een na de ander nieuwe principes, nieuwe technologieën en nieuwe sonarapparatuur ontstaan. De ontwikkelingsvereisten van nieuwe sonartechnologie hebben de snelle ontwikkeling van transducertechnologie gestimuleerd, en dezelfde technologische doorbraken op het gebied van transducers en de ontwikkeling van nieuwe materialen, nieuwe mechanismen en nieuwe structuren van akoestische onderwatertransducers hebben het sonarsysteem ook 'verfrissend' gemaakt. Hier volgt een kort overzicht van de ontwikkelingsstatus van de transducertechnologie in de afgelopen jaren, gebaseerd op de informatie waarover de auteur beschikt en het beperkte kennisniveau. Het omvat voornamelijk een hydro-akoestische transducer van nieuw materiaal, een nieuwe structuur en een nieuwe hydro-akoestische transducer, een nieuw type hydrofoon, breedbandtransducertechnologie, enzovoort.

 

2 Nieuw materiaal onderwater akoestische transducer

 

De transducer is een apparaat dat energieconversie in het sonarsysteem realiseert. In de transducer zit een speciaal materiaal dat het vermogen heeft om energie om te zetten. Dit materiaal wordt een functioneel materiaal genoemd. De functionele materialen die worden gebruikt om transducers te maken omvatten voornamelijk piëzo-elektrische materialen (zoals piëzo-elektrische kristallen, piëzo-elektrische keramiek, piëzo-elektrische polymeren, enz.) en magnetostrictieve materialen (zoals nikkel, kobalt, nikkel-ijzerlegeringen, ferrieten, zeldzame aardijzerlegeringen, enz.). Ze gebruiken piëzo-elektrisch effect en magnetostrictief effect om de wederzijdse conversie tussen elektrische veldenergie of magnetische veldenergie en mechanische energie te realiseren. De doorbraak van transducertechnologie wordt fundamenteel bepaald door de technologische doorbraak van functionele materialen. De afgelopen jaren hebben verschillende technische prestaties op het gebied van functionele materialen ook de ontwikkeling van de transducertechnologie aan het licht gebracht. De arts ontdekte dat de zeldzame aardmetalen van lanthaniden verbazingwekkende magnetostrictieve eigenschappen hebben, maar dat ze in de praktijk niet worden gebruikt omdat het curiepunt lager ligt dan kamertemperatuur. Later werd ontdekt dat binaire, ternaire of quaternaire legeringen bestaande uit zeldzame aardelementen en ijzer ook bij kamertemperatuur gigantische magnetostrictieve eigenschappen hebben. De meest representatieve legering van zeldzame aardmetalen is Terfenol-D (de samenstelling is Tb0.27Dy0.73Fe1). 95), is het een nieuw type functioneel materiaal geworden dat sinds de jaren tachtig veel aandacht heeft getrokken. Ontspanning ferro-elektrische monokristallijne loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat (PMN-PT) en loodzinkniobaat-loodtitanaat (aangeduid als PZN-PT) zijn nieuwe typen samengestelde perovskietkristalmaterialen, en ze zijn ook in opkomst. Een klasse van nieuwe functionele materialen met geweldige toepassingsvooruitzichten. Voordien werd nikkel algemeen gebruikt als materiaal voor transducers. In 1917 maakte de Franse wetenschapper Langevin een sonartransducer met een kwartskristal, waarmee een precedent werd geschapen voor de toepassing van piëzo-elektrische materialen in de sonar. In de jaren veertig werd BaTiO3 pzt-keramiek met sterke piëzo-elektrische eigenschappen met succes ontwikkeld en op grote schaal gebruikt in sonarsystemen. De in de jaren vijftig ontwikkelde PZT-piëzo-elektrische keramiek heeft een breed bedrijfstemperatuurbereik en uitstekende elektromechanische eigenschappen. De conversie-efficiëntie compenseert de ontoereikendheid van Ba ​​TiO3-keramiek en werd ooit het voorkeursmateriaal voor akoestische onderwatertransducers. Onder hen is het piëzo-elektrische keramische materiaal met hoge energiedichtheid PZT-8. Een eenvoudige vergelijking van de bovengenoemde materialen: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT kunnen een spanning veroorzaken die ongeveer 5 keer zo groot is als die van PZT-8 en 50 keer die van nikkel; de piëzo-elektrische constanten van PMN-PT en PZN-PT zijn d33. Het is 6-8 keer zoveel als dat van PZT-8-materiaal. Het gebruik van deze pzt-materialen om nieuwe akoestische onderwatertransducers te ontwikkelen is een van de huidige hot topics.

 

Magnetostrictief materiaal van cilinder onderwater akoestische transducer is zeldzaam, welk aards gigantisch magnetostrictief materiaal magnetostrictief effect gebruikt om de wederzijdse conversie tussen magnetische veldenergie en mechanische energie te realiseren, en wordt voornamelijk gebruikt om onderwater akoestische emissietransducers met lage frequentie en hoog vermogen te ontwikkelen. Het is een soort 'complexe' structuur van de transducer-hoge temperatuur supergeleidende magnetostrictieve hydro-akoestische transducer. Vanuit het perspectief van de structuur van de transducer is de structuur zeer eenvoudig. Het is een gewone longitudinale transducer met dubbele radiator. Het zogenaamde 'complex' verwijst hier naar zijn rijke fysieke connotatie. Het magnetostrictieve vermogen van zeldzame aardlegeringsmaterialen bij lage temperatuur is groter dan dat bij kamertemperatuur. De maximale magnetostrictieve spanning van Tb0,6Dy0,4 bij een temperatuur van 77K is bijvoorbeeld 0,65%, terwijl Terfenol-D zich bij kamertemperatuur bevindt. De hoogste magnetostrictieve spanning is 0,25%. Ontwikkelde een magnetostrictieve hydro-akoestische transducer van Tb0.6Dy0.4-materiaal met een temperatuurbereik van 50-60K: het staafvormige materiaal van een zeldzame aardlegering wordt in de airconditioningruimte geplaatst en de koeltoren van de koelkast wordt cyclisch gekoeld en de airconditioningruimte wordt geleverd door een spoel van supergeleidend materiaal. Het magnetische voorspanningsveld en het magnetische excitatieveld exciteren de magnetostrictieve staaf om rektrilling te produceren, die via het mechanische overgangsstuk wordt overgebracht naar het stralende oppervlak van het zuigertype, en het stralende oppervlak van het zuigertype duwt het watermedium om drukgolfstraling te genereren. In de structuur is een vacuümkamer ontworpen om de warmtegeleiding te isoleren. De buitenwand van de vacuümkamer is een koepelvormig drukvast deksel, dat bestand is tegen een druk van 10 atmosfeer. De belangrijkste technische parameters zijn als volgt: resonantiefrequentie 430 Hz, maximaal geluidsbronniveau 181,4db, het rendement is ongeveer 25%. Het fabricageproces van dit soort transducers is ingewikkeld. De laatste jaren zijn mensen nog steeds bereid terfenol-D-materiaal te gebruiken dat bij kamertemperatuur werkt, een bepaalde magnetostrictieve spanning achter zich te laten en het te vervangen door een nieuwe structuur om uitstekende stralingsprestaties te bereiken. Het volgende is een korte inleiding tot de onderzoeksvoortgang van verschillende structurele magnetostrictieve materialen in akoestische onderwatertransducers. De longitudinale transducer heeft een eenvoudige structuur. De magnetostrictieve staaf wordt gecombineerd met de voorste stralende kop- en staartmassa om een ​​soortgelijk eendimensionaal trillingssysteem te vormen. De voorste stralende kop is over het algemeen gemaakt van lichtgewicht materialen, en de staartmassa is over het algemeen gemaakt van dichte materialen om een ​​stralend oppervlak te verkrijgen. Output grotere trillingsverplaatsing. Er worden twee longitudinale transducers geïntroduceerd die zijn ontwikkeld met Terfenol-D-materialen. De ene is een algemene longitudinale transducer met een resonantiefrequentie van 1200 Hz, een geluidsvermogen van 3 kW en een transducergewicht van 60 kg; de andere is de zeldzame aardstaaf aan beide uiteinden. Ontworpen als een hoornvormige, dubbelzijdige stralingstransducer in de lengterichting, is de resonantiefrequentie 400 Hz, het geluidsvermogen 1,5 kW en het gewicht van de transducer maximaal 100 kg. Ringvormige transducer: een regelmatige veelhoek omgeven door een aantal zeldzame aardstaven, en een reeks cirkelvormige boogoppervlakken worden door het overgangsstuk geëxciteerd om radiale trillingen te veroorzaken om akoestische straling met hoog vermogen te bereiken. Er is een reeks zeldzame aardmetalen laagfrequente toroïdale transducers met hoog vermogen ontwikkeld, waaronder transducers met een resonantiefrequentie van 200 Hz (binnendiameter 0,56 m, buitendiameter 0,94 m, hoogte 0,37 m, geluidsbronniveau 193 dB, gewicht 410 kg) en een transducer met een resonantiefrequentie van 30 Hz (diameter 2 m, hoogte 1,1 m, geluidsbronniveau 195 dB, gewicht 5t). Flextensional-transducer is een soort transducer die de longitudinale trillingen van een piëzo-elektrische keramische stapel of magnetostrictieve staaf gebruikt om het stralingsoppervlak van de schaal (of tonbundel) te exciteren met amplitudeversterkingseffect voor buigtrilling. Er worden een aantal veelgebruikte transducers vermeld. Typen flextensionele transducers, waaronder I, II en III hebben dezelfde kenmerken. De longitudinale trilstaaf wekt een rotatiesymmetrisch gebogen schaal op. De schaal kan een doorlopende constructie zijn of een constructie die in een groep balken is gesneden. Purcell gebruikte Terfenol-D-materiaal om een ​​concave tonvormige buigspanningstransducer (type III) te ontwikkelen, met een resonantiefrequentie van 1300 Hz, een geluidsbronniveau van 188,7 dB en een bandbreedte van 600 Hz. Door het gebruik van een open magnetisch circuit met één staaf is de resonantiefrequentie. Het maximale AC-elektro-akoestische rendement is slechts 7% en het gewicht van de transducer is 2,7 kg. Fish-lip flextensionele transducers hebben gemeenschappelijke kenmerken. De transducer wordt bekrachtigd door een longitudinale trilstaaf om de convexe of concave elliptische schaal te buigen om straling met hoog vermogen te bereiken. De fish-lip flextensional-transducer neemt het amplitudeversterkingseffect over. Het effect van weging met oppervlakte vergroot het geluidsstralingsvermogen. Gerapporteerd over dit nieuwe type laagfrequente, krachtige onderwater akoestische transducer, inclusief de resonantiefrequentie van 210 Hz, 450 Hz, 800 Hz en 1200 Hz, worden de onderzoeksresultaten van dit nieuwe type transducer momenteel gebruikt in laagfrequente actieve sonararrays, akoestiek Akoestische systemen zoals doelgeluidsbronnen en geluidssimulators.

 

Ontspanning ferro-elektrisch materiaal onderwater akoestische transducer

 

Relaxor ferro-elektrische materialen zijn een soort potentiële functionele materialen, die kunnen worden onderverdeeld in elektrostrictieve keramische typen en relaxor ferro-elektrische monokristallijne typen. Het productieproces van relaxor-ferro-elektrische eenkristallen is veel gecompliceerder dan dat van elektrostrictieve keramische materialen. Onderzoekers hebben deze materialen gebruikt om vele soorten transducers te maken, zoals buigtransducers, longitudinale transducers enzovoort. De technologie voor het vervaardigen van transducers van dit type materiaal is ingewikkelder en het is noodzakelijk om een ​​elektrisch DC-voorspanningsveld toe te voegen, voorspanning toe te passen en de temperatuur van het proces te regelen. Door het gebruik van PMN-PT-BT (loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat-bariumtitanaat) elektrostrictieve keramiek werd de flextensionele transducer van het IV-type ontwikkeld. Uit de onderzoeksresultaten blijkt dat de ontwikkelde transducer de potentie van het materiaal niet heeft gemaximaliseerd. Dit werk zal nog een tijdje een van de hotspots zijn die moeten worden onderzocht op het gebied van onderwater-akoestische transducers. Met behulp van PMN-PT relaxor ferro-elektrisch monokristallijn materiaal om 64 kanalen van 3,5 MHz ultrasone sonde te bestuderen, gebruikt in medische B-ultrasound en Doppler kleuren ultrasone beeldvormingsapparatuur, wat suggereert dat relaxor ferro-elektrisch monokristallijn materiaal in hoogfrequente beeldsonar aanwezig is.

 

Piëzo-elektrische polymeerfilm van sferische akoestische onderwatertransducer kan tot een flexibel membraan worden gemaakt, en de transducer kan in elke vorm worden ontworpen bij het maken van de transducer, en de akoestische impedantie van het materiaal is laag, en het is gemakkelijk om impedantie te bereiken met water en andere vloeibare media en biologische weefsels. Matching, vaak gebruikt om hoogfrequente standaardhydrofoons, hoogfrequente transducers, medische ultrasone transducers, conforme arrays en gediversifieerde composiet transducerarrays te maken. Het veelgebruikte piëzo-elektrische polymeer voor het maken van transducers is voornamelijk polyvinylideenfluoride (PVDF). Momenteel is de meer in het oog springende piëzo-elektrische polymeermateriaalfilm EMFi (afkorting van electro Mechanicalfil) een soort flexibele film van polypropyleenschuim, waarvan de piëzo-elektrische constante ongeveer 10 keer die van PVDF is, die kan worden gebruikt om hooggevoelige transducers te maken. De structuur van de EMFi dunne-filmtransducer heeft een ontvangstoppervlakdiameter van 35 mm en de ontvangstgevoeligheid van de transducer is groter dan -190 dB (referentiewaarde is 1V/μPa). Dit soort transducer kan ook in de lucht worden gebruikt om geluidsgolven te ontvangen of uit te zenden.

 

Introductie van de nieuwe structuur van een akoestische onderwatertransducer en verschillende transductiemechanismen. Functionele materialen zijn belangrijk in de transducer, maar ze moeten door een geschikte structuur worden gespeeld. Daarom lijkt het structurele ontwerp van de transducer bijzonder belangrijk te zijn bij de ontwikkeling van transducertechnologie. belangrijk. Volgens verschillende toepassingsgebieden en verschillende technische vereisten, of volgens de kenmerken van verschillende transductiemechanismen en functionele materialen, zijn er de een na de ander verschillende soorten transducers op de markt gekomen, waarvan er vele multidisciplinaire technologieën combineren om gezamenlijk nieuwe wegen in te slaan. Technische moeilijkheden om aan enkele speciale technische vereisten te voldoen. De supergeleidende magnetostrictieve hydro-akoestische transducer op hoge temperatuur is een typisch voorbeeld. In de voorgaande inhoud van dit artikel en de typen transducers die later zullen worden geïntroduceerd, zijn veel ook nieuwe structuren en nieuwe mechanismen van akoestische onderwatertransducers. Om niet in herhaling te vallen, worden in deze sectie slechts twee andere ontwerpvoorbeelden van nieuwe constructies genoemd.

 

De transducer van het bekkentype (cimbaal) is een soort transducer met een nieuwe structuur, vergelijkbaar met een flextensional-transducer. Elke transducer van het bekkentype bestaat uit een paar PZT-piëzo-elektrische keramische schijven en één. De metalen kap is aan elkaar gehecht. De PZT-piëzo-elektrische keramische schijf past een wisselspanning toe om radiale trillingen te genereren om de metalen kap op te wekken voor buigtrilling, en de verhoogde metalen kap van de transducer produceert afwisselende trillingen van 'uitzetting-krimp'. Straling geluidsgolven. Wanneer dezelfde wisseldrukgolf op de metalen kap inwerkt, wordt de druk overgebracht naar de PZT-piëzo-elektrische keramische schijf en wordt de wisselspanning afgegeven aan de twee polen van de keramische schijf, die wordt gebruikt als ontvangsttransducer. De resonantiefrequentie van de transducer van het bekkentype in water is 16,1 kHz en de emissiespanningsrespons is 130 dB (referentiewaarde is 1 μPa/V, op 1 m). Figuur 5 toont ook de foto van de uit 9 elementen bestaande matrix bestaande uit dit type transducer. . In de laagfrequente piëzo-elektrische transducer van het spiraalveertype wordt het piëzo-elektrische keramiek verwerkt tot een spiraalveervorm (zoals weergegeven in figuur 6), depiëzo-elektrische keramische transducer wordt gepolariseerd in de tangentiële richting, en vervolgens wordt een paar excitatie-elektroden geconstrueerd. Het neutrale gedeelte zonder elektroden in het midden wordt gescheiden om een ​​buitenste ringelektrodepaar 1 en een binnenste ringelektrodepaar 2 te vormen (zie het vergrote schematische diagram van een klein fragment in figuur 6). Op deze manier wordt de excitatiespanning V op het elektrodenpaar aangelegd, het deel van het piëzo-elektrische keramiek dat wordt bestuurd door het buitenste ringelektrodepaar en het binnenste ringelektrodepaar zal tegengestelde trillingen produceren (uitbreiding of samentrekking), en de uitzettings- en samentrekkingsbeweging van het veersysteem zal het werkoppervlak van de zuiger aandrijven om geluidsenergie te laten trillen. Vanwege de lage stijfheid van deze structuur heeft deze een lage resonantiefrequentie en kan deze worden gebruikt als laagfrequente zendtransducer. Bij gebruik als ontvanger heeft hij ook een hoge gevoeligheid in de lage frequentiebanden. Uitgaande van de piëzo-elektrische vergelijking werd de elektromechanische conversierelatie van dit type transducer verkregen, en werd enig verkennend onderzoek uitgevoerd.

 

Inleiding tot verschillende energieconversiemechanismen in akoestische onderwatertransducers Vanuit het perspectief van energieconversie kunnen transducers hoofdzakelijk worden onderverdeeld in piëzo-elektrische transducers die piëzo-elektrisch effect gebruiken om energieconversie te bereiken en magnetisme die magnetostrictief effect gebruiken om energieconversie te bereiken. Intrekbare transducers, de transducers die bij de voorgaande inhoud betrokken zijn, behoren tot deze twee typen.