Nieuwe ontwikkelingen piëzo-keramiek gebruikt in de onderwatersonartransducers

Transducer is een belangrijk onderdeel van sonar. Vanuit het perspectief van de geschiedenis van de hydro-akoestiek is elke stap in de ontwikkeling van de onderwaterakoestiek onlosmakelijk verbonden met de ontwikkeling van transducertechnologie. Omdat hydro-akoestische transducers een sleutelrol spelen in de akoestische techniek onder water, hebben veel ontwikkelde landen enorm in het onderzoek geïnvesteerd. Uit de geschiedenis van de ontwikkeling van akoestische onderwaterapparatuur, vanaf het begin van de Eerste Wereldoorlog, bestaat de transducer van het Langevin-type uit piëzo-elektrische keramische kristallen en metaalmassa's werden gebruikt. Na vele productvervangingen werden de transducers gebruikt. De prestaties zijn sterk verbeterd. In de afgelopen twee of drie decennia, als gevolg van de militaire vraag, de snelle ontwikkeling van wetenschap en technologie, de voortdurende ontwikkeling en toepassing van nieuwe transducermaterialen, en de toepassing van eindige piëzo-elementenanalyse in transducerontwerp, transduceronderzoek. Gebaseerd op de klassieke theorie en analytische methoden zijn er veel nieuwe concepten en methoden ontstaan. De akoestische onderwatertransducer staat voor een nieuwe ronde van productvervanging. Gigantische magnetostrictieve verdunde transducer, hoogwaardige elektrostrictieve piëzo-keramische transducer, vectorhydrofoon, piëzo-elektrische composiettransducer, laagfrequente PVDF-hydrofoon met groot oppervlak, glasvezelhydrofoon, enz. Het vertegenwoordigt de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van transduceronderzoek. Vanuit dit aspect kijkt dit artikel uit naar de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van onderwatersonartransducers.

gigantische magnetostrictieve transducer

In de jaren zeventig ontdekte AE Clark dat zeldzame aardlegeringen supermagnetostrictieve eigenschappen hebben. Deze maximale spanningen veroorzaakt door magnetostrictieve effecten zijn 6 tot 20 keer groter dan die van piëzo-elektrische buistransducer gebruikt in akoestische transducers onder water, en de energiedichtheid is ongeveer 10 tot 20 keer, en de geluidssnelheid is slechts 2/3 tot 3/4 van de piëzo-elektrische keramiek, en de prestatievergelijking tussen het zeldzame aardmateriaal Terfenol2D en het conventionele piëzo-elektrische materiaal PZT-8 en nikkel wordt gegeven. Daarom heeft de Terfenol2D hydro-akoestische transducer onder dezelfde volumeomstandigheden een resonantiefrequentie die 2/3 tot 3/4 lager is dan de resonantiefrequentie van de piëzo-elektrische keramische hydro-akoestische transducer. Omdat de transducer gemaakt van zeldzaam aarde-gigantisch magnetostrictief materiaal Terfenol2D de kenmerken heeft van een groot zendvermogen, een klein volume, een laag gewicht en een omgeving met hoge temperaturen, wordt deze verkregen bij de ontwikkeling van een laagfrequente-zeer laagfrequente onderwater-akoestische transducer met hoog vermogen. Voldoende aandacht en toepassing. In de jaren tachtig hebben ontwikkelde landen verschillende transducers voor zeldzame aardmetalen ontwikkeld en deze op militair gebied toegepast. Zweden heeft met succes gebogen transducers voor zeldzame aardmetalen ontwikkeld met een geluidsvermogen van 151 kW voor het vegen van mijnen. China begon in de jaren negentig met onderzoek, maar heeft snel vooruitgang geboekt. Ze hebben met succes buigtransducers voor zeldzame aardmetalen, ingelegde transducers voor zeldzame aardmetalen en zeldzame aardtransducers voor longitudinale composietstaven, enz. ontwikkeld. De belangrijkste kenmerken van Terfenol2D-materialen zijn (1) brosse materialen en moeilijke bewerking. (2) Omdat zeldzame aardmetalen niet alleen een magnetisch geleidend materiaal zijn, maar ook een geleidend materiaal, zal de zeldzame-aarde-transducer, wanneer het externe magnetische veld verandert, binnenin gegenereerd worden, en de verliezen zullen groot zijn bij hoge frequenties. Vergeleken met piëzo-elektrische keramische transducers moeten gigantische magnetostrictieve transducers problemen oplossen zoals magnetische bias, voorspanning, wervelstroomverlies en diepwatercompensatie. Momenteel zijn er enkele oplossingen voor deze tekortkomingen. Om het probleem van bros materiaal en groot wervelstroomverlies op te lossen, wordt het gigantische magnetostrictieve materiaal GMPC, Terfenol 2D in poedervorm bestudeerd, de bindingsmaterialen gemengd en geperst en gevormd door poedermetallurgie. Voor het ontwerp van gigantische magnetostrictieve transducers is het een voordelige oplossing om volledig gebruik te maken van de grote vervorming en hoge energiedichtheid ervan als excitatiebron van de buigtransducer. Het kan worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan conversies met lage frequentie, klein volume en hoog vermogen te maken. Correcte selectie van de magnetische voorspanning, voorspanning en toepassingstechnieken van gigantische magnetostrictieve materialen van zeldzame aardmetalen hebben een grote invloed op de prestaties van de transducer. Over het algemeen wordt de magnetische voorspanning geselecteerd op 1/3 van de magnetostrictieve verzadigingswaarde en wordt de voorspanning geselecteerd van 7 MPa tot 10 MPa om een ​​groot uitgangsvermogen te verkrijgen.

Glasvezel hydrofoon

Glasvezelhydrofoontechnologie begon eind jaren zeventig in het US Naval Laboratory. De glasvezelhydrofoon heeft de voordelen van hoge gevoeligheid, sterk anti-elektromagnetisch interferentievermogen, groot dynamisch bereik, klein formaat en lichtgewicht Pzt4 piëzo-elektrische halve bol . Daarom werd de technologie vanaf het begin zeer gewaardeerd en werd ze beschouwd als een van de sleuteltechnologieën van de nationale defensie. Na meer dan twintig jaar ontwikkeling heeft de glasvezelhydrofoontechnologie grote vooruitgang geboekt in de ontwikkelde landen en zijn er verschillende glasvezelhydrofoons geïntroduceerd. Ze hebben het volledig uit vezels bestaande hydrofoononderzeese geluidsmonitoringsysteem, de sleeplijnarray, de onderzeese conforme array enzovoort voltooid. Met name de succesvolle ontwikkeling van vastestoflasers heeft een enorme wereld aan toepassingen voor optische vezels geopend. Ook de glasvezelhydrofoontechnologie kent een goede start. De prestaties van het prototype van de eenheid liggen dicht bij of hebben het internationale niveau bereikt, en er is onderzoek naar glasvezelhydrofoonarraytechnologie uitgevoerd. De penetratie van sonaronderzoek in lasertechnologie zal ongetwijfeld een nieuwe pagina openen in het sonaronderzoek. Allerlei glasvezelhydrofoons zijn ontworpen op basis van het effect van geluidsgolven om de fasemodulatie of intensiteitsmodulatie van de vezel licht te maken. De vezel is verdeeld in multimode-vezels en single-mode-vezels. De glasvezelhydrofoon is meestal gemaakt van single-mode glasvezel. Type interferometer en modulatietype lichtintensiteit. Onder invloed van geluidsdruk wordt spanning gegenereerd in de kern van de optische vezel, waardoor veranderingen in de brekingsindex en lengte ontstaan. Deze twee veranderingen veroorzaken fasemodulatie van de laser die zich voortplant in de optische vezel. De glasvezelhydrofoon van het interferometertype moet de vezel gebruiken die door het geluidsveld wordt beïnvloed als de gevoelige vezel, en de andere is gescheiden van het geluidsveld. De vezel met een vast faseverschil wordt gebruikt als referentievezel, die op de armen van de interferometer wordt geplaatst, en als foto-elektrische omzetter. Na de synthese wordt interferentie gevormd op het oppervlak van de ontvangen fotomultiplier en wordt akoestische informatie gedetecteerd. Omdat de golflengte van het licht erg klein is, is de lichte spanning van het signaal veroorzaakt door de geluidsdruk geen kleine verandering ten opzichte van de golflengte van het licht, en veroorzaakt dus een grote verandering in de intensiteit van het uitgangslicht, dus de gevoeligheid van de hydrofoon van het vezelinterferentietype is bijzonder hoog. De technische prestaties die worden bereikt door de glasvezelhydrofoon van de glasvezelinterferometer zijn als volgt: ontvangstspanningsgevoeligheid: - 140 dB (0dB = 1V/μPa) Fasegevoeligheid: 2,56 × 10 - 8 rad / μPa. Frequentierespons: 16 Hz ~ 10 kHz (golving ≤ 3dB) directionaliteit: omnidirectioneel (golving ≤ 2. 5dB) Van alle hydrofoons van het intensiteitstype is de hydrofoon van het roostertype een nieuwe, beproefde en effectieve akoestische onderwaterdetector. 

De output wordt uitgedrukt als een directe intensiteitsmodulatie van het invallende geluidsveld. Het belangrijkste werkingsprincipe is het veroorzaken van de relatieve verplaatsing van de twee roosters tussen de constante lichtbron en de lichtontvanger onder invloed van het geluidsveld, en de ontvangstintensiteit is een functie van de relatieve verplaatsing van de twee roosters, zodat het geluidsveld kan worden getransformeerd. Voor intensiteitsmodulatie. De roosterhydrofoon zelf bestaat in wezen uit twee axiaal uitgelijnde optische golfgeleiders (of vezels) met een kleine opening en de openingen in de opening die de transmissie regelen, zorgen voor de vereiste intensiteitsmodulatie. De hydrofoon biedt alle voordelen van een apparaat voor directe intensiteitsmodulatie en is goedkoop. De roostermethode kan een relatief hoge gevoeligheid bereiken, en het apparaat is eenvoudig te vervaardigen, zonder enige geavanceerde optische technologie, en heeft een dynamisch bereik tot 160 dB, en heeft de mogelijkheid om een ​​verplaatsing veroorzaakt door geluid van minder dan 0,01 A te detecteren. Bovendien is er, vanwege de flexibele keuze van roosterdichtheid, offset, optisch vermogen en hydrofoonstructuur, meer flexibiliteit in het ontwerp van gevoeligheid, dynamisch bereik, grootte en werkfrequentiebereik. Voor glasvezelhydrofoons is schotruis, veroorzaakt door stroomschommelingen op de fotodiode, de belangrijkste bron van ruis. Dit wordt vaak de theoretische ruislimiet genoemd. Bovendien hebben de uitlijning van de bundel, de isolatie van de referentiebundel en de isolatie van brontrilling een directe invloed op de prestaties. Het grootste nadeel van glasvezelhydrofoons is het grote temperatuureffect.