Technologische innovatie bij de ontwikkeling van akoestische onderwatertransducers(1)

Technologische innovatie bij de ontwikkeling van akoestische onderwatertransducers

 

 

70,8% van het aardoppervlak bestaat uit de oceaan. De uitgestrekte oceaan is de grootste schatkamer van hulpbronnen op aarde, en de oceaan is ook een belangrijke positie voor internationale militaire strijd. Het onderzoek, de ontwikkeling en het gebruik van de oceaan zijn onlosmakelijk verbonden met geluidsgolven. Geluidsgolven zijn de enige informatiedragers die lange afstanden in de oceaan kunnen afleggen. De exploratie en ontwikkeling van mariene hulpbronnen, onderwatercommunicatietransducer en navigatie van schepen, detectie en herkenning van onderwaterdoelen, milieumonitoring en voorspelling van natuurrampen enzovoort zijn allemaal afhankelijk van akoestische onderwatertechnologie om dit te bereiken. De ontwikkeling van onderwaterakoestische technologie vereist de ondersteuning van allerlei soorten onderwaterakoestische transducers. De missie van akoestische onderwatertransducers is het verzenden en ontvangen van geluidsgolven onder water. Daarom wordt dit 'ogen en oren van akoestische onderwaterapparatuur' genoemd, waarvan kan worden gezegd dat het akoestische onderwatertransducers zijn. De geboorte van 'H' markeert het begin van de ontwikkeling van de hydro-akoestische technologie. De technische vooruitgang van hydro-akoestische transducers is een belangrijke voorwaarde en basis voor de snelle ontwikkeling van hydro-akoestische technologie(1)

 

De akoestische onderwatertransducer is geen eenvoudig geïsoleerd onderwerp, maar een multidisciplinair technisch vakgebied. De nauw verwante onderwerpen zijn vooral: natuurkunde, materiaalkunde, wiskunde, mechanica, elektronica, scheikunde, mechanische wetenschappen, etc., dus onderwaterakoestiek. Hoewel de transducer slechts een geschiedenis van meer dan honderd jaar ontwikkeling heeft, is het inmiddels een levendig vakgebied geworden. De dringende behoefte op het gebied van hydro-akoestische technologie is de directe drijvende kracht voor de ontwikkeling van hydro-akoestische transducers, en de ontwikkeling van functionele materialen en technologische vooruitgang zijn de belangrijkste materiële basis voor de ontwikkeling van hydro-akoestische transducers. Om in de loop van de ontwikkelingsgeschiedenis van hydro-akoestische transducers zo goed mogelijk aan de steeds toenemende technische eisen op het gebied van hydro-akoestiek te voldoen, worden de overeenkomstige functionele materialen voortdurend bijgewerkt. Mensen hebben speciaal toepassingsonderzoek uitgevoerd rond de kenmerken van verschillende functionele materialen en nieuwe technologieën ontworpen en nieuwe structuren zijn voorgesteld, die de uitgebreide technische prestaties van de transducer hebben verbeterd en verbeterd, wat een eindeloze stroom van innovatieve onderzoeksresultaten op de transducer mogelijk heeft gemaakt. De auteur selecteert enkele typische onderzoeksvoorbeelden van lanceertransducers, analyseert en vat de innovatieve ideeën van dit onderzoekswerk vanuit verschillende invalshoeken samen, en hoopt jonge wetenschappers bepaalde begeleiding en verlichting te bieden, en actief de diepgaande aspecten van klassiek onderzoekswerk te onderzoeken.

 

1. Technische innovatie van akoestische onderwatertransducer op basis van functionele materialen

 

In 1915 gebruikten Paul Langevin uit Frankrijk en anderen een condensatorzender en een koolstofdeeltjesontvanger om akoestische experimenten onder water uit te voeren. Deze twee zend- en ontvangstapparaten moeten primitieve onderwater-akoestische transducers zijn; 1917 ~ 1918 Langevin Zhiwan ontwierp en verbeterde de kwartstransducer. De vibrator bestaat uit verschillende piëzo-elektrische kwartsplaten, ingeklemd tussen twee dikke stalen platen. Deze structuur wordt Langzhiwan-transducer genoemd. Omdat natuurlijk kwarts niet aan de steeds toenemende vraag kan voldoen, werd ontdekt dat het in water oplosbare synthetische piëzo-elektrische kristal Rochelle-zout een sterker piëzo-elektrisch effect heeft dan kwarts, maar het stabiliteitsprobleem beperkt het toepassingsgebied en de piëzo-elektriciteit is enigszins inferieur. Ammoniumdiwaterstoffosfaat (ADP) kristallen werden vanwege hun relatief stabiele eigenschappen veel gebruikt in de Tweede Wereldoorlog. In 1920 werd het magnetostrictieve effect toegepast in akoestische transducers onder water; in 1925 werden magnetostrictieve transducers van nikkel ontworpen en toegepast; in 1931 leidde de diepgaande studie van dunne nikkelplaten tot de snelle ontwikkeling van magnetostrictieve transducers. En geleidelijk piëzo-elektrische kristaltransducers vervangen; in 1944 werd ontdekt dat bariumtitanaatkeramiek na polarisatie een sterke piëzo-elektriciteit heeft, en het verlies ervan is veel kleiner dan dat van magnetostrictieve materialen. Later hebben bariumtitanaat piëzo-elektrische keramische transducers zich snel ontwikkeld; het gepolariseerde loodzirkonaattitanaatkeramiek (PZT), ontdekt in 1954, heeft een sterkere piëzo-elektriciteit. Tot op de dag van vandaag zijn PZT-piëzo-elektrische keramiek nog steeds de belangrijkste functionele materialen van akoestische onderwatertransducers.

 

In de jaren zeventig ontwikkelde Dr. Clark AE in de Verenigde Staten de gigantische magnetostrictieve ternaire legering Terfenol-D van zeldzame aardmetalen. Sinds de jaren negentig zijn de relaxerende ferro-elektrische monokristallijne materialen PZN-PT en PMN met elektrische eigenschappen bij hoge spanning en hoge energiedichtheid -PT de een na de ander ontdekt, en zijn er nieuwe doorbraken gemaakt in het toepassingsonderzoek van deze drie materialen. In deze sectie zullen de onderzoeksresultaten van deze nieuwe functionele materiaaltransducers centraal staan.

 

⒈Een nieuwe generatie magnetostrictieve materialen en hun transducers

De nieuwe generatie magnetostrictieve materialen omvat materialen van zeldzame aardlegeringen en materialen van zeldzame metaallegeringen. Het gigantische magnetostrictieve effect van materialen van zeldzame aardmetalen werd voor het eerst ontdekt onder lage temperaturen. De hoogste magnetostrictieve spanning van het Tb0.6Dy0.4-materiaal bij 77K is 0,65%, en de hoogste magnetostrictieve spanning van Terfenol-D bij kamertemperatuur is 0,25%. Er zijn documenten die aantonen dat er een magnetostrictieve longitudinale transducer met dubbele zuiger is ontwikkeld, aangedreven door een supergeleidende spoel. De magnetostrictieve staaf van een zeldzame aardmetalenlegering (terbium-dysprosium) wordt in een airconditioningruimte geplaatst (temperatuur 50-60 K) en de koeltoren wordt gecirculeerd en gekoeld door de koeltoren van de koelkast. In de kamer zorgt een spoel van supergeleidend materiaal voor een magnetisch DC-voorspanningsveld en een magnetisch excitatieveld om de magnetostrictieve staaf te exciteren om rektrilling te genereren en deze via het mechanische overgangsstuk over te brengen naar het stralende oppervlak van het zuigertype. Het stralende oppervlak van het zuigertype duwt het watermedium voort om drukgolven voor straling 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: de resonantiefrequentie is 430 Hz, het maximale geluidsbronniveau is 181,4 dB en het rendement is ongeveer 25%. Dit onderwaterhydrofoontransducers bemoeilijken het productieproces om werkomstandigheden bij lage temperaturen te verkrijgen. De laatste jaren zijn mensen bereid om het Terfenol-D-materiaal, dat bij kamertemperatuur werkt, te gebruiken om het productieproces te vereenvoudigen en tegelijkertijd uitstekende stralingsprestaties te bereiken met een nieuwe structuur.

 

Het is de Terfenol-D aangedreven achthoekige zendertransducer voltooid door Butler gelijk aan 1980. 16 zeldzame aardstaven zijn in twee lagen gerangschikt, en 8 zeldzame aardstaven in elke laag zijn verbonden in een achthoek via een wigvormig overgangsblok en vormen een gesloten magnetisch circuit. Het overgangsblok is verbonden met het stralingsoppervlak van een deel van de cilinder (dicht bij de centrale hoek van 45 °), en de zeldzame aardstaaf wordt voorgespannen door middel van zeer sterke spanningsdraden tussen de overgang blokken. De interne voorspanning van de zeldzame aardstaaf is ongeveer 13,8 MPa, en de resonantiefrequentie van de transducer in water. Bij 775 Hz werden de niet-lineaire aandrijving onder de DC-voorspanningsmagnetische veldconditie en de zuivere veldconditie vergeleken, en werd het geluidsbronniveau 189,8 dB onder de DC-voorspanningsmagnetisch veldconditie en 196,2 dB onder de niet-voorgespannen niet-lineaire aandrijfconditie respectievelijk gerealiseerd.