Onderzoeksvoortgang en ontwikkelingsmogelijkheden van onderwater akoestische transducertechnologie

Akoestische golven worden beschouwd als de enige informatiedrager die lange afstanden in de oceaan kan afleggen. Zeeonderzoek, ontwikkeling van hulpbronnen en maritieme militaire strijd zijn allemaal onlosmakelijk verbonden met onderwaterakoestische technologie. De ontwikkeling van hydro-akoestische technologie vereist verschillende soorten hydro-akoestische transducers om ondersteuning te bieden, en de missie van hydro-akoestische transducers is het verzenden en ontvangen van geluidsgolven onder water. Daarom staan hydro-akoestische transducers bekend als de ogen en oren van hydro-akoestische apparatuur. De ontwikkeling van hydro-akoestische transducers omvat voornamelijk de toepassing van nieuwe materialen, de toepassing van nieuwe processen en het ontwerp van nieuwe structuren om de verbetering en verbetering van de uitgebreide technische prestaties van de transducer te bereiken. Hydro-akoestische technologie is de directe ontwikkeling van hydro-akoestische transducers. Dit artikel richt zich op de binnenlandse onderzoeksresultaten van onderwater-akoestische transducers in de afgelopen 20 jaar, inclusief nieuwe ontwikkelingen op het gebied van laagfrequente transducers, hoogfrequente breedbandtransducers, diepwatertransducers en vectorhydrofoons. Op basis van de analyse en samenvatting, gecombineerd met de ontwikkelingsstrategie en situatie van mijn land voor maritieme technologie, worden de uitdagingen en ontwikkelingsmogelijkheden waarmee de huidige akoestische onderwatertransducertechnologie wordt geconfronteerd, kort besproken.

 

De onderwater akoestische transducer is een type sensor die de conversie van geluid en andere vormen van energie of informatie in het watermedium realiseert; De akoestische onderwatertransducer is de front-endapparatuur van het sonarsysteem en is ook de interactie tussen het sonarsysteem en het watermedium om informatie uit te wisselen. window'. Het gebied van onderzoek en ontwikkeling van onderwater akoestische transducertechnologie omvat de integratie van meerdere disciplines, en de nauw verwante disciplines omvatten voornamelijk: natuurkunde, materiaalkunde, wiskunde, mechanica, elektronica, scheikunde, mechanica, enz., dus de ontwikkeling van onderwater akoestische transducers is nauw verwant aan de prestaties van andere basisdisciplines, en wordt tegelijkertijd beperkt door de ontwikkeling van verschillende verwante disciplines. Afgaande op de tientallen jaren ontwikkelingsgeschiedenis van de hydro-akoestische transducers van mijn land, komt de grootste ontwikkelingsmotivatie voort uit de toepassingsvereisten in op het gebied van de hydro-akoestische technologie, maar tot het einde van de 20e eeuw ontbeerde de ontwikkeling van de hydro-akoestische transducertechnologie in mijn land een algemeen en systematisch karakter.

 

1.1 Onderzoeksvoortgang van laagfrequente transducers

Als reactie op de dringende behoeften aan onderwaterinformatietransmissie over ultralange afstanden en de ontwikkeling van ultra-stealth-detectie van onderzeeërs, zijn laagfrequente zendtransducers sinds de 21e eeuw een van de meest zorgwekkende hotspots op het gebied van akoestische onderwatertransducers geworden. De werkfrequentieband van buitenlandse detectie- en communicatiesonars met ultralange afstand is teruggebracht tot ongeveer 100 Hz. Laagfrequente transducers brengen veel theoretische en technische problemen met zich mee, die op dit moment nog niet goed zijn opgelost, en dit aspect zal nog steeds de onderzoekshotspot en het aandachtspunt in de toekomstige ontwikkeling zijn. In dit gedeelte wordt het onderzoekswerk van laagfrequente transducers voor buigtrillingen en transducers voor buigspanning geselecteerd, en worden de nieuwe technologische prestaties samengevat.

 

1.1.1 Buigtrilling laagfrequente transducer

Het eerste technische probleem waarmee de ontwikkeling van laagfrequente onderwatertransducers wordt geconfronteerd, is de geometrische afmeting. Over het algemeen is de werkfrequentie van resonante transducers omgekeerd evenredig met de geometrische afmeting. Dat wil zeggen: hoe lager de frequentie van de transducer, hoe groter de geometrische afmeting zal zijn. Trillingen kunnen de geometrische afmetingen van laagfrequente transducers effectief verminderen. De nieuwe ontwerpen van laagfrequente buigtrillingstransducers in China in de afgelopen 20 jaar omvatten voornamelijk transducers met gebogen straal en transducers met gebogen schijven.

 

(1) Buigstraaltransducer. Ontwerp een cilindrische breedbandzendertransducer met cantileverbundel (Figuur 1a). Het structuurontwerp combineert de kenmerken van de modale frequentie met lage buigtrilling en de methode van multimodale trillingskoppeling om de frequentieband te verbreden. Chai Yong et al. Er wordt een buisbundel-koppelingsringtransducer voorgesteld (figuur 1b). Door een gebogen balk aan de ingelegde ringvormige transducer toe te voegen om een ​​buis-balk-koppelingsstructuur te vormen, wordt de effectieve werkmodus vergroot. Gebruik multi-mode koppeling om laagfrequente en breedbandige bedrijfskarakteristieken te bereiken. De overloopconstructie is overgenomen en het vermogen ervan om hydrostatische druk te weerstaan ​​is geverifieerd door de daadwerkelijke toepassing van de 3.000 meter diepzee-onderwaternorm. Xu et al. stelde twee ontwerpschema's voor cilindrische laagfrequente transducers (Figuur 1c en d), voerden een reeks simulaties uit en gaven de emissieresponscurven, aangedreven door de nieuwe magnetostrictieve materialen Terfenol-D en Galfenol. Het demonstreert het potentieel van de transducerstructuur voor toepassingen met ultralage frequenties.

Figuur 1 Nieuw ontwerp van laagfrequente transducer voor gebogen straal (a), 0 is een vaste straal en 1-5 zijn cilindrische stralen met verschillende diktes

(3) Gebogen schijftransducer. De gebogen schijftransducer omvat structuren met drie stapels, dubbele stapels, enzovoort. Figuur 2a toont een compacte gebogen schijftransducer, samengesteld uit een paar dubbele lamellen. Het buitenlandse onderzoekswerk is relatief volwassen. Er wordt diepgaand onderzoek gedaan naar deze basisstructuur van de gebogen schijftransducer. Uitgaande van deze basisstructuur zijn, door het ontwerpen van de vloeistofkamer en het verbeteren van de rijmodus, enkele nieuwe ontwerpen geproduceerd. Figuur 2b is een gebogen schijftransducer, aangedreven door een mozaïekring. Het ontwerp van figuur 2c maakt gebruik van gebogen schijftransducers van verschillende afmetingen om een ​​matrix te vormen, en gebruikt verschillende aandrijfmethoden om breedbandwerking te bereiken. Figuur 2d is een gebogen schijftransducer met overloopholtestructuur. De grootte van de vloeistofholte is in het ontwerp op passende wijze aangepast om aan de akoestische prestatie-eisen te voldoen. Het is een gebogen schijftransducer aangedreven door galfenol, die een structuur gebruikt die lijkt op een longitudinale transducer om de buigtrilling van de voorkant op te wekken. 

Figuur 2 Nieuw ontwerp van laagfrequente transducer met gebogen schijf

1.1.2 Flextensionele transducer

Het concept van de flextensionele transducer ging uit van het patent van Hayes in 1936. De basiswerkmodus is dat een of meer telescopische vibrators de buigtrillingsmantel aandrijven om laagfrequente geluidsstraling te genereren. Het onderzoek en de toepassing van flextensionele transducers in mijn land zijn actief sinds het einde van de 20e eeuw. Onderzoekers hebben flextensionele transducers met verschillende structuren ontworpen. Volgens de structuur en excitatiemethode zijn de flextensionele transducers onderverdeeld in drie categorieën. Deze classificatiemethode wordt hier gebruikt om afzonderlijk te introduceren.

 

(2) Buigspanningstransducer met cilindrische structuur. Dit type transducer wordt aangedreven door een longitudinale telescopische vibrator om de buigtrillingshuls te vertalen. De trillende schaal van de transducer is een translatiestructuur, dat wil zeggen een cilindrische schaal met verschillende vormen, die wordt aangedreven door een of meer longitudinale telescopische vibrators. Inclusief IV-type flextensional transducer en zijn vervormingsstructuur, VII type flextensional transducer, vierzijdige flextensional transducer, enz. Figuur 3a is een typische IV-type flextensional transducerstructuur. Er is een flextensionele transducer van het IV-type ontwikkeld, aangedreven door een relaxor ferro-elektrisch PMNT-materiaal met één kristal. Er werd een flextensionele transducer van het IV-type ontwikkeld, aangedreven door het zeldzame aardmetalen gigantische magnetostrictieve materiaal Terfenol-D. Figuur 3b is het nieuwe ontwerp van de flextensionele transducer van het VII-type, die wordt aangedreven door het gigantische magnetostrictieve materiaal Terfenol-D van zeldzame aardmetalen. De excitatiemethode is ontworpen op het breedste deel van de dwarsafmeting, en een paar parallelle vibrators zijn ontworpen om een ​​diepgaand inzicht te geven in dit type transducer. De reeks onderzoeken omvat analyse van het voorspanningsontwerp, theoretische modellering, modale analyse, experimenteel onderzoek, enz. Figuur 3c is een verbeterd nieuw ontwerp van de IV-type flextensionele transducer, dat vergelijkbaar is met de ontwerpverbetering van de type I flextensionale transducer naar de type II flextensionale transducer, met behulp van een elliptische schaalstructuur met een langwerpige lange as, de transducer. Deze wordt aangedreven door het relaxor ferro-elektrische monokristallijne materiaal PMNT, dat betere breedbandwerkingseigenschappen heeft dan de algemene IV-type flextensionele transducer. Figuur 3d is het eerste nieuwe ontwerp ter verbetering van de flextensional transducer van het IV-type in China, de fish-lip type flextensional transducer, die gebruik maakt van een elliptische schaal met variabele hoogte en gebruik maakt van de zeldzame aarde supermagnetostrictieve materiaal Terfenol-D-aandrijving. Deze speciaal gevormde vibrerende schaal heeft een hefboomeffect en een zwaar dubbel versterkingseffect. Momenteel is de Terfenol-D fish-lip flextensional transducer geserialiseerd en ontworpen in een dubbele schaalstructuur om het transmissievermogen verder te vergroten. Het maximale geluidsvermogen van een enkele transducer kan 10.000 watt bereiken, waardoor het een laagfrequente, hoogvermogen zendtransducer voor huishoudelijk gebruik is. Een van de basistypen. Figuur 3e is een orthogonale excitatie vierzijdige flextensionele transducer, die een compacte ontwerpverbetering heeft aangenomen, die meer functionele materialen in een beperkt volume kan toevoegen en het emissiegeluidsbronniveau kan verbeteren. Figuur 3f is een ander verbeterd nieuw ontwerp van de flextensionele transducer van het IV-type, vergelijkbaar met de ontwerpverbetering van de type I flextensionele transducer met de type III flextensionale transducer, die twee elliptische schalen in serie langs de lange asrichting gebruikt. Als geheel wordt een langere piëzo-elektrische stapel gebruikt om te exciteren, zodat de resonantiefrequentie van de longitudinale vibrator wordt verminderd en dicht bij de fundamentele frequentiemodus van de buigshell ligt, wat bevorderlijk is voor modale koppeling om breedbandbedrijfskarakteristieken te bereiken. Figuur 3g is een verbeterd nieuw ontwerp voor de excitatievibrator van de flextensionele transducer van het IV-type. Het is een flextensionele transducer van het IV-type, aangedreven door de vouwvibrator. Deze structuur, gecombineerd met een behuizingsmateriaal met lage stijfheid, kan de resonantiefrequentie effectief verminderen.

Figuur 3 Buigspanningstransducer met kolomstructuur

Het is ook bekend als de flextensional-transducer van het kalebastype. Er wordt onderzoek gedaan naar de flextensionele transducer van het kalebastype, aangedreven door PZT en PZT+Terfenol-D. De simulatieanalyse van de emissiekarakteristieke parameters van de gezamenlijke excitatie wordt uitgevoerd. Figuur 4c is een flex-spanningstransducer met concave buis, geëxciteerd door een combinatie van magnetostrictie en piëzo-elektriciteit. In het ontwerp zijn twee excitatie-elementen, Terfenol-D en PZT, gebruikt om een ​​samengestelde longitudinale vibrator te vormen. Figuur 4d toont de flextensionele transducer met concave cilinder. Deze wordt geëxciteerd door de multi-piëzo-elektrische stapel. Onder de veronderstelling dat de schaal ongewijzigd blijft en het totale volume van het piëzo-elektrische keramische materiaal hetzelfde is, werd de analyse van verschillende aantallen (1-4) piëzo-elektrische stapelaandrijvingen ontworpen en ontwikkeld. Voor de impact op de prestaties van de transducer werd een buigspanningstransducer met concave buizen ontworpen en ontwikkeld, geëxciteerd door een drievoudige piëzo-elektrische stapel.

Figuur 4 Buigspanningstransducer van het lange type met roterend lichaam

Buigspanningstransducer van plat type met roterend lichaam. Dit type transducer wordt aangedreven door een radiaal uitzettende vibrator om een ​​rotatiesymmetrische buigtrillingsschaal aan te drijven. De vibrerende schaal van de transducer is een rotatiesymmetrische structuur, meestal een paar convexe of concave bolvormige kappen (of bolvormige kappen) of bestaat uit een schijf, enz., aangedreven door een radiaal uitzettende ring of schijfvibrator, inclusief V-vormige flex-tension transducer, VI-vormige flex-tension transducer, schijfvormige flex-tension transducer, etc., hier geïntroduceerd Klein formaat V-type flextensional transducer-cimbaal en schijftype flextensional transducer. Figuur 5a is een V-vormige flextensionele transducer van klein formaat. Een paar metalen eindkappen worden aangedreven door een piëzo-elektrische keramische schijf die radiaal trilt om buigtrillingen te produceren; Figuur 5b is een schijfvormige flextensionele transducer, die PZT- gebruikt in het ontwerp. 4 De radiaal gepolariseerde piëzo-elektrische keramische ring drijft de gebogen schijf aan. De schijf is verdeeld in 16 gelijke sectoren langs de radiale spleet om de koppeling van laterale trillingen te verminderen. De flextensionele transducers van deze twee structurele vormen hebben de kenmerken van een lage resonantiefrequentie, een kleine geometrische afmeting en een hoge elektro-akoestische efficiëntie.

Figuur 5 Buigspanningstransducer van het platte type met roterend lichaam

1.2 Onderzoeksvoortgang van hoogfrequente breedbandtransducers

Naast de detectieafstand als belangrijke indicator voor akoestische onderwaterapparatuur, is een andere ontwikkelingsrichting het verkrijgen van de maximale hoeveelheid doelinformatie als hoofddoel. Bijvoorbeeld beeldsonar met hoge resolutie, akoestische onderwatercommunicatie met hoge datasnelheid, enz. Het vereist werking in de hoogfrequente modus en de werkfrequentieband is zo breed mogelijk. Daarom is een hoogfrequente breedband akoestische onderwatertransducer een belangrijk onderdeel van het systeem geworden, vergelijkbaar met optica. De lens van het beeldvormingssysteem is hetzelfde.

 

Figuur 6a is een hoogfrequente breedbandtransducer met piëzo-elektrische keramische kolom en bijpassende laag. De verhouding tussen de piëzo-elektrische keramische afstand en de keramische grootte en het effect van vulmaterialen op de bandbreedte worden bestudeerd. De hoogfrequente breedbandtransducer met dubbele aanpassingslaag, ontworpen in figuur 6b, maakt gebruik van piëzo-elektrische keramische kolommen om een ​​array te vormen, en voegt vervolgens een dubbele aanpassingslaagstructuur toe van metaallaag en harscomposietmateriaal om akoestische emissieprestaties met hoge frequentie breedband te bereiken. Figuur 6c toont de ontworpen 1-1-3 piëzo-elektrische composiet hoogfrequente breedbandtransducer, die bestaat uit 1-dimensionaal verbonden piëzo-elektrische pijlers en 1-dimensionaal verbonden metalen pijlers die parallel zijn gerangschikt in een driedimensionaal verbonden polymeermatrix. Het driefasige piëzo-elektrische composietmateriaal wordt gevormd en de hoogfrequente breedbandzendtransducer is ontwikkeld. Figuur 6d toont de ontworpen 1-3 piëzo-elektrische composiet hoogfrequente breedbandtransducer, die het koppelingseffect van de diktetrillingsmodus en de transversale trillingsmodus van de eerste orde gebruikt om de breedbandbedrijfskarakteristieken te realiseren. Figuur 6e toont de ontworpen piëzo-elektrische, samengestelde hoogfrequente breedbandtransducer met ring. De piëzo-elektrische composietring wordt verkregen door de piëzo-elektrische keramische ring radiaal door te snijden en epoxyhars te gieten. Vervolgens worden twee piëzo-elektrische composietringen met verschillende wanddikten verkregen. De samengestelde ring is over elkaar heen gelegd om een ​​radiaal uitstralende transducer met dubbele resonantie te vormen.

 

Figuur 6 Hoogfrequente breedbandtransducer