Technologische innovatie bij de ontwikkeling van akoestische onderwatertransducers(2)

     Technologische innovatie bij de ontwikkeling van akoestische onderwatertransducers(2)

IJzer-galliumlegering (Galfenol) is een nieuw type magnetostrictief materiaal dat de afgelopen jaren is ontstaan. De magnetostrictieve spanning ligt tussen nikkel en Terfenol-D, bij 300 ppm (ppm is een microvariabele die ΔL/L=10-6 vertegenwoordigt). Hierboven heeft het, vergeleken met Terfenol-D, de voordelen van een hogere relatieve permeabiliteit (>100), goede bewerkbaarheid, hoge temperatuurstabiliteit en hoge treksterkte. Omdat het materiaal van de ijzer-galliumlegering goede bewerkingsprestaties en een hoge mechanische sterkte heeft, kan het worden gebruikt voor het ontwerpen en verwerken van de behuizing van de flextensional-transducer. Figuur 2b is een onderzoeksvoorbeeld van een flextensionele transducer met concave cilinder en een behuizing van een ijzer-galliumlegering. De onderwater akoestische transducer wordt aangedreven. De vibrator is samengesteld uit Φ20 mm x 40 mm ijzer-galliumlegeringselementen en neodymium-ijzer-boor permanente magneetplaten, en vormt een gesloten magnetisch circuit met de stralende schaal. De experimentele resultaten laten zien dat de emissiestroomrespons van de transducer 168,4 dB bedraagt ​​(resonantiefrequentie 1750 Hz), wat beter is dan duraluminium van dezelfde geometrische grootte. De behuizingstransducer (resonantiefrequentie 1900 Hz) is met bijna 5 dB verbeterd, wat de ontwerpvoordelen van de actieve behuizing weerspiegelt.

 

Gepubliceerd in 2000, de onderzoeksresultaten van de magnetostrictieve-piëzo-elektrische gezamenlijke excitatie breedband longitudinale transducer. De longitudinale transducer wordt gezamenlijk aangedreven door de Terfenol-D-eenheid en de PZT-stack, die de breedbandwerking van 1,8 KHz en 3,5 KHz dubbele resonantiepiekkoppeling realiseert. Kenmerkend is dat de literatuur ook meldde dat de 4x4 planaire array met hoog vermogen, samengesteld uit dit type transducer, het geluidsbronniveau van de array groter is dan 225 dB in de frequentieband van 1,5-6 kHz.

 

Terfenol-D multi-unit drive longitudinale transducer, de auteur heeft de aandrijfeenheid op ingenieuze wijze ontworpen, de structuur ervan maakt gebruik van een permanente magneethuls om een ​​magnetisch voorspanningsveld aan te leggen om het statische magnetische veld te scheiden van het dynamische magnetische circuit, en het dynamische magnetische. De permanente magneetelementen met lage permeabiliteit worden vermeden in de weg en het aandrijfeffect van het magnetische veldenergie wordt vergroot; is het fysieke diagram van de aandrijfeenheid. 4 Dergelijke aandrijfeenheden zijn mechanisch in serie geschakeld om een ​​laagfrequente longitudinale vervanging te vormen met de voorkap en de staartmassa. Het energieapparaat, de centrale schroef, is voorgespannen; Figuur 3c is het werkelijke beeld van de transducer na verpakking, de resonantiefrequentie van de transducer is 1,6 kHz en het geluidsbronniveau is 177 bB.

 

Het magnetische circuitontwerp van de magnetostrictieve transducer is erg belangrijk. Butler nam de flextensionele transducer met concave cilinder als voorbeeld en vergeleek de werkingseffecten van zes magnetische circuitschema's door middel van eindige elementenanalyse. De magnetische circuitstructuren van figuur 4a-f zijn respectievelijk .een doorlopende zeldzame-aardstaaf plus puur ijzeren magnetisch doorlaatbare eindafdekking en huls, doorlopende zeldzame aardstaaf plus puur ijzeren doorlaatbare accessoire-eindafdekking, doorlopende zeldzame aardstaaf zonder zuiver ijzerdoorlatend accessoire, combinatie van zeldzame aardstaaf en permanent magneetstuk plus zuiver ijzerdoorlatend Einddeksel en huls, combinatie van zeldzame aardstaaf en permanent magneetstuk plus puur ijzeren magnetisch doorlaatbare accessoire-eindafdekking, combinatie van zeldzame aardstaaf en permanent magneetstuk zonder puur ijzerdoorlatend magnetisch accessoire, de effectieve De elektromechanische koppelingscoëfficiënten worden berekend op respectievelijk 0,33, 0,30, 0,27, 0,23, 0,21 en 0,20, wat aangeeft dat de effectieve elektromechanische koppelingscoëfficiënt van de zeldzame-aardevibrator is veranderd van een continue zeldzame aardstaaf naar een zeldzame aardstaaf gecombineerd met een permanente magneetplaat. De eindkappen en mouwen van magnetische permeabele accessoires van puur ijzer hebben een bepaald effect op het verbeteren van de elektromechanische koppelingsprestaties van de zeldzame-aardevibrator, maar voor het aandrijven van materialen met een lage relatieve permeabiliteit zoals Terfenol-D is de verbetering klein en wordt de effectieve elektromechanische koppelingscoëfficiënt bepaald door 0,20 tot 0,23 of 0,27 tot 0,33.

 

 

2. Een nieuwe generatie piëzo-elektrische materialen en hun transducers

Tot de eerste helft van de 20e eeuw waren alle piëzo-elektrische materialen enkelvoudige kristallen. Polykristallijn piëzo-elektrisch keramisch bariumtitanaat werd voor het eerst ontdekt in de jaren vijftig, gevolgd door loodzirkonaattitanaat (PZT) in de jaren zestig. De prestaties van deze piëzo-elektrische keramiek zijn veel beter dan die van vroege enkele kristallen, en PZT is sindsdien het belangrijkste functionele materiaal van akoestische onderwatertransducers geworden.

Halverwege de jaren negentig werden nieuwe piëzo-elektrische monokristallijne loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat (PMN-PT) en loodzinkniobaat-loodtitanaat (PZN-PT) ontdekt. Deze twee piëzo-elektrische monokristallijne materialen hebben een zeer hoge verzadigingsspanning (meer dan 1%), weinig verlies en een hoge piëzo-elektrische koppelingscoëfficiënt (groter dan 0,9), wat de potentiële voordelen aantoont van het vergroten van het vermogen en het verbreden van de frequentieband in de richting van de onderwaterakoestiek transducer. In de afgelopen jaren zijn het ternaire lood-indiumniobaat-loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat (PIN-PMN-PT) en mangaan-gedoteerde lood-indiumniobaat-loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat (Mn: PIN-PMN-PT) piëzo-elektrisch monokristallijn materiaal, dat de werkeigenschappen onder omstandigheden met hoge elektrische velden verder verbetert.

De toepassing van piëzo-elektrische monokristallijne materialen zoals PMN-PT op het gebied van onderwaterakoestiek begon met het ontwerp en de ontwikkeling van longitudinale transducers. Meyer en anderen hebben een reeks onderzoekswerkzaamheden uitgevoerd, waaronder een gedetailleerde analyse van PMN-PT longitudinale transducers met 33 en 32 modi, en een vergelijkende studie met PZT-8. Figuur 5a is een longitudinale transducer met 33 modi, aangedreven door een stapel van 10 PZT-8-wafels, figuur 5b is een longitudinale transducer met 33 modi, aangedreven door een stapel van 3 PMN-PT-wafels, en figuur 5c is een 4 PMN-PT. De lange stroken vormen een 'mond'-vormige longitudinale transducer met 32 ​​modi. De resultaten laten zien dat wanneer PMN-PT en PZT-8 worden gebruikt om longitudinale transducers te maken met dezelfde frequentie en hetzelfde emissiebronniveau en andere parameters, het PMN-PT-kristal slechts ongeveer 30% van de PZT-8 bedraagt, wat de technische voordelen aantoont van piëzo-elektrische monokristallijne materialen om kleine transducers te maken; de 32-modus kan ervoor zorgen dat de monokristallijne materialen worden gesneden volgens de beste prestatieoriëntatie, en tegelijkertijd de combinatie van lange strips gebruiken. Het kan technische problemen vermijden, zoals het kweken van grote enkele wafers, de betrouwbaarheid en consistentie van de transducer verbeteren, en heeft duidelijke voordelen voor lichtgewicht sonararray-toepassingen met gemiddelde en hoge frequentie.

Single crystal heeft een ontwikkeld cilindrische zendtransducer bestaande uit ingelegde ringen. Elke ring bestaat uit 12 wigvormige stroken en 9 ringen zijn in axiale richting strak gemonteerd om een ​​cilinder te vormen. De geometrische afmeting (Φ20,3 mm x 66 mm) is aanzienlijk kleiner dan de piëzo-elektrische keramische transducer met dezelfde frequentie en realiseert de breedbandwerkkarakteristieken van meer dan 2,5 octaaf. Een ander document maakt gebruik van PMN-PT-monokristal om een ​​flextensionele transducer met concave cilinder te ontwikkelen. De aandrijfvibrator van de transducer bestaat uit een stapel van 16 axiaal gepolariseerde Φ28 mm x Φ 10 mm x 4,8 mm elementen en een trillingsschaal van titaniumlegering. De emissiespanningsrespons is met meer dan 5 dB verbeterd vergeleken met dezelfde structuurtransducer van PZT-4-materiaal.

De trigonaal-tetragonale faseovergangstemperatuur van PMN-PT-monokristal is relatief laag, wat het toepassingsbereik ervan tot op zekere hoogte beperkt, vooral voor toepassingen onder omstandigheden met hoog vermogen. Het ternaire lood, indiumniobaat-loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat (PIN-PMN-PT) en het met mangaan gedoteerde eenkristal (Mn: PIN-PMN-PT) maken de faseovergangstemperatuur van het relaxor ferro-elektrische eenkristal duidelijk. Verhoog en verminder tegelijkertijd de verliesfactor aanzienlijk: de faseovergangstemperatuur wordt verhoogd van 95 ° C naar 125 ° C, de verliesfactor wordt verlaagd van 0,26 naar 0,15 en het verlies factor is slechts de helft van de gebruikelijke PZT-4 piëzo-elektrische keramiek. Er is ook literatuur waarin deze twee nieuwe formule-eenkristallen, PMN-PT en PZT-4, worden gebruikt om longitudinale transducers te maken en hun krachtige werkingseigenschappen te vergelijken, wat bewijst dat het nieuwe formule-eenkristalmateriaal geschikter is voor omstandigheden met een hoog vermogen en een grote werkcyclus. Het geluidsbronniveau van de PMN-PT-transducer is 5dB hoger dan dat van de PMN-PT-transducer bij de resonantiefrequentie. Vergeleken met de PZT-4 piëzo-elektrische keramiek zijn het geluidsbronniveau en de vermogenscapaciteit bij de resonantiefrequentie in principe gelijkwaardig, en is de werkbandbreedte met 1 keer toegenomen, en is het maximale geluidsbronniveau buiten de resonantiefrequentie met ongeveer 6 dB verhoogd.

 

Het toepassingsonderzoek van PMN-PT-monokristalmateriaal richt zich vooral op medische hoogfrequente ultrasone beeldvormingsystemen. Hier is slechts één voorbeeld van Cymbal hydro-akoestische transducertoepassingsonderzoek, waarbij gebruik wordt gemaakt van Φ12,7 mm x 1 mm PMN-PT-element om 0,25 mm dik titanium aan te drijven. De buigvibratiekap van aluminiumlegering heeft een kleine buigspanningstransducer van het Cymbal-type ontwikkeld, die een 6dB hogere emissiespanningsrespons heeft dan de PZT-4-aangedreven transducer met dezelfde structuur.

 

2. Technische innovatie van de onderwater-akoestische transducerstructuur en -technologie

⒈Technische innovatie om de straalkarakteristieken te verbeteren

In moderne sonar worden over het algemeen verschillende basisarrays gebruikt om de vereiste bundelkarakteristieken te bereiken. Wanneer de installatieopening van de transducer echter beperkt is en er speciale vereisten zijn voor de straalkarakteristieken, moeten technische maatregelen worden genomen om de straalkarakteristieken van de transducer te controleren. De belangrijkste technische benaderingen voor verbetering zijn onder meer: ​​baffle-toepassing, modale superpositietechnologie met behulp van dipolen en multipolen, enz. In deze sectie worden enkele typische onderzoeksvoorbeelden geselecteerd, waarbij de nadruk ligt op de analyse en samenvatting van het gebruik van modale superpositiemethoden om de bundelkarakteristieken van de transducer te verbeteren. Technische prestaties.

⑴Het schot gebruiken om de straalkarakteristieken van de transducer te verbeteren

In het vroege sonarsysteem werd doorgaans een onafhankelijke transducer gebruikt. Wanneer de richtingsgevoeligheid niet aan de vereisten kan voldoen, wordt de reflectie van het schot gebruikt om de transmissiebundel te regelen, die hoofdzakelijk het passeren door een vlak schot, een cilindrisch schot en een bolvormig schot omvat. Plaat- en kegelschot om de richtingsgevoeligheid van cilindrische transducers, zuigertransducers, sferische transducers, enz. te veranderen, voldoen tot op zekere hoogte aan de behoeften van eenrichtingstransmissiebundelcontrole, zoals weergegeven in figuur 6, het gebruik van dubbele kegels. Het reflecterende schot past de richtingsgevoeligheid van de magnetostrictieve toroïdale transducer aan en realiseert de enkelzijdige straalstralingskarakteristiek.

 

Er is literatuur dat de 3 kHz type IV flextensionele transducer dichtbij het brandpunt van het parabolische reflectorschot wordt geplaatst, zodat de type IV flextensionele transducer met zijn eigen niet-directionele stralingskarakteristieken in één richting kan bereiken. Het experiment verkrijgt een openingshoek met één hoek van 83°. Voor de straal bedraagt ​​het responsverschil voor en achter 21 dB.

⑵ Modale combinatie directionele transducer

Verschillende structurele transducers hebben verschillende trillingsmodi van meerdere ordes. Resonante transducers werken over het algemeen op basis van de trillingsmodus van de fundamentele frequentie. Verschillende trillingsmodi zullen overeenkomen met hun effectieve excitatiemethoden, dus een combinatie van excitatiemethoden kan worden gebruikt. Realiseer de superpositie-aansturing van meerdere trillingsmodi, om het doel van het veranderen van de kenmerken van de zendbundel te bereiken. De belangrijkste modi die de bundelkarakteristieken van de transducer door combinatie kunnen veranderen, zijn onder meer de monopoolmodus, de dipoolmodus en de quadrupoolmodus, enz. Deze basismodi kunnen door middel van een gewogen combinatie een verscheidenheid aan richtingspatronen bereiken. In deze sectie wordt, gecombineerd met specifieke literatuurresultaten, een korte analyse en samenvatting gemaakt van de verwerkingstechnologie en excitatiemethoden van verschillende structurele transducers om modale superpositie te bereiken.

Bij excitatie in meerdere modi wordt doorgaans de partitie-excitatiemethode gebruikt, zoals: piëzo-elektrische keramische buizen of bolvormige omhulsels gebruiken vaak de gesplitste elektrodemethode, zie figuur 7a, b; magnetostrictieve veelhoek ( ring) transducer, keurt onafhankelijke randexcitatie goed.

 

Butler et al. ontwierp en ontwikkelde een 'modale transducer', nog steeds gebruikmakend van het ontwerpidee van partitie-excitatie, maar doorbrekend de beperking van de verdeling van onafhankelijke componenten, met behulp van 8 onafhankelijke 1/4 longitudinale vibrators om de staartmassa te delen, elke transducer. Het stralingsoppervlak is een cilindrisch boogoppervlak van bijna 45 °, en ze omsluiten gezamenlijk een gescheiden en onafhankelijk aangedreven cilindrische emitterende transducer. De geometrische afmetingen van de transducer worden niet beperkt door de procesomstandigheden van de onafhankelijke elementen, en tegelijkertijd wordt de longitudinale richting van de voorgespannen structuur overgenomen. De vibrator heeft technische voordelen voor het ontwerp van directionele zendtransducers met lage frequentie en hoog vermogen. Figuur 8 toont de modale basistrillingsvormen van de 'modale transducer'. Modale transducers op basis van PZT-8 piëzo-elektrische keramiek, PMN-PT monokristallijne en Terfenol-D gigantische magnetostrictieve materialen zijn respectievelijk ontworpen en ontwikkeld. Het heeft een cardioïde directionele zendbundel verkregen met een directiviteitsindex van 6 dB en een verschil van 25 dB in de respons van voren naar achteren.

 

Het is een ander type directionele emissietransducer met lage frequentie en hoog vermogen: een zone-geëxciteerde flextensionele transducer. In het ontwerp wordt de piëzo-elektrische stapel (of magnetostrictieve vibrator) van de flexie-spanningstransducer onderworpen aan zone-excitatie, waarbij de combinatie van monopool- en dipoolmodi over elkaar heen wordt gelegd om een ​​cardioïde gerichte emissiebundel te vormen. Figuur 9a is een flextensionele transducer van het type IV met directiviteit van 900 Hz, en figuur 9b is een flextensionele transducer van het type VII met directiviteit van 3 kHz.

In de literatuur wordt een breedband multimode cilindrische transducer met een keerplaat bestudeerd (getoond in figuur 10). De elektroden van de piëzo-elektrische keramische cilindrische buis zijn gelijkelijk verdeeld in twee groepen en onafhankelijk geëxciteerd om een ​​monopool (0-modus) en een dipool (1-modus) te verkrijgen, en werken vervolgens samen met het schot om de eenzijdige gerichte emissie te realiseren. Het onderzoekswerk maakt ook gebruik van de faserelatie tussen de modi om een ​​onafhankelijke eindversterker en afstemcircuit te ontwerpen, via de lage frequentie '0+1' en de hoge frequentie '0 + 1'. -1' Modale combinatiecontrole realiseert breedbandwerkeigenschappen. De transducer gebruikt 4 PZT-4 piëzo-elektrische ronde buizen van Φ38,2 mm × Φ31,8 mm × 19 mm in de hoogterichting, en de maat na verpakking is Φ48 mm × 79 mm. Het schot is gemaakt van twee stukken kurkrubber gelamineerd om een halve cirkel te vormen. Het cilindrische oppervlak heeft een dikte van 6 mm en de emissie de spanningsrespons fluctueert met 6 dB in de frequentieband van 26-46 kHz.

2.Technische innovatie om de frequentiekarakteristieken te verbeteren

Met de multidirectionele uitbreiding van de toepassingsrichting van onderwaterakoestische technologie is het werkfrequentiebereik van actieve sonarsystemen voortdurend uitgebreid. Onder hen is de werkfrequentie van beeldsonar met hoge resolutie verhoogd tot 106 Hz, en de werkfrequentieband van detectie- en communicatiesonar over ultralange afstanden is zelfs nog lager. Onder 100 Hz; aan de andere kant vereist de ontwikkeling van sonarinformatieverwerking dat de werkfrequentieband van de transducer zo breed mogelijk is. Daarom hebben laagfrequente transducers en breedbandtransducers de afgelopen jaren veel aandacht getrokken op het gebied van onderwaterakoestiek, en de onderzoeksresultaten zijn behoorlijk rijk. Er zijn echter nog steeds veel theoretische en technische problemen die niet goed zijn opgelost. Dit aspect zal nog steeds de onderzoekshotspot en focus van toekomstige ontwikkeling zijn. In deze sectie wordt het onderzoekswerk in de richting van laagfrequente transducers en breedbandtransducers geselecteerd, geanalyseerd en samengevat. Innovatieve ideeën en nieuwe technologische prestaties.

⑴ Innovatief ontwerp van laagfrequente transducer

①Buigtrilling laagfrequente transducer

Het eerste technische probleem waarmee de ontwikkeling van laagfrequente transducers 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, zoals een longitudinale conversie van 500 Hz. De lengte van het energieapparaat is ongeveer 3 meter. Buigtrilling kan de geometrische afmetingen van laagfrequente transducers effectief verminderen. Onder hen omvatten transducers waarvan de functionele apparaten rechtstreeks deelnemen aan buigtrilling voornamelijk buigbundeltransducers, buigschijftransducers, enz.

Figuur 11a toont een typische drie-gestapelde buigbalkstructuur. Aan de boven- en onderkant van de buigbalk worden een stuk piëzo-elektrische keramische strips geplakt. Wanneer een van de piëzo-elektrische keramische strips uitrekt en de andere samentrekt bij opwinding, zal de metalen balk in het midden buigtrilling veroorzaken. Dit soort energieomzetting Het apparaat moet aan één kant worden blootgesteld aan water om geluidsgolven uit te stralen. Daarom worden meestal verschillende gebogen balken gecombineerd om een ​​luchtholte te vormen. Zoals weergegeven in figuur 11b, trilt elk stralingsoppervlak in fase.

 

Een soortgelijk werkingsprincipe wordt een gebogen schijftransducer met een schijfstructuur genoemd, die ook een drielaagse en dubbel gelamineerde structuur omvat. Figuur 11c toont een compacte gebogen schijftransducer, samengesteld uit een paar dubbel gelamineerde platen. (Bender). Delany-systeemanalyse onderzocht de laagfrequente, kleine en krachtige werkingskenmerken van Bender.

De ontwikkeling van laagfrequente transducers met buigtrillingen omvat ook een nieuwe, structuurgesplitste toroïdale transducer (getoond in figuur 12). De gesplitste torusvormige transducer kan worden beschouwd als een speciale buigbundeltransducer. De oorspronkelijke structuur werd in 1957 door Harris voorgesteld. De samengestelde ringbalk bestond uit een binnenste piëzo-elektrische keramische ring en een buitenste metalen ring. De modellering en analyse van de transducer was gebaseerd op het 'stemvorkmodel' uit figuur 12b, en het aandrijfelement werd aangepast aan een gespleten structuur. De splitringtransducer kan groter worden ontworpen en de massa kan worden aangepast via de dikteverdelingsstijfheid om de optimalisatie van de bedrijfsfrequentie en stralingskarakteristieken te bereiken, zoals weergegeven in figuur 12c.

 

②Buigspanningstransducer

Het concept van de flextensionele transducer ging uit van het patent van Hayes in 1936. Nadat Toulis in 1966 het patent van de IV-type flextensionele transducer publiceerde, begon het onderzoek en de toepassing van de flextensionele transducer actief te zijn, en tot nu toe zijn er meer dan de helft van hen geweest. In de eeuw van de ontwikkelingsgeschiedenis zijn verschillende structurele vormen van flextensionele transducers geboren, en hun werkingsprincipes en structurele processen zitten vol met innovatieve ontwerpideeën. We kunnen ze niet één voor één introduceren in de chronologische volgorde van hun ontwikkeling, alleen de flextensionele transducers. De structuur en stimuleringsmethoden van het bedrijf zijn onderverdeeld in de volgende drie categorieën, die kort worden geanalyseerd en samengevat.

△Buigspanningstransducer met cilindrische structuur. Dit type transducer wordt aangedreven door een longitudinale telescopische vibrator om de buigtrillingsmantel te vertalen, zoals weergegeven in figuur 13. De vibrerende schaal van de transducer is een translatiestructuur, dat wil zeggen een cilindrisch oppervlak met verschillende vormen, aangedreven door een of meer longitudinaal telescopische vibrators, a is type IV flextensional transducer, b is type VII flextensional transducer Energy device, c is een 'stervormige' buigspanningstransducer aangedreven door een orthogonale piëzo-elektrische stapel, en een 'stervormige' buigspanningstransducer aangedreven door een vierzijdige magnetostrictieve vibrator. Omdat dit type transducer gemakkelijk te ontwerpen is als een gepartitioneerde excitatievibrator, kiest de hierboven beschreven directionele flextensionele transducer in het algemeen dit type structuur.

△Buigspanningstransducer met lang roterend lichaam. Dit type transducer wordt aangedreven door een longitudinale telescopische vibrator om een ​​rotatiesymmetrische buigtrillingsmantel aan te drijven, zoals weergegeven in figuur 14. De vibrerende schaal van de transducer is een rotatiesymmetrische structuur, inclusief een reeks langs de omtrek verdeelde tonvormige balken, die doorgaans worden aangedreven door een longitudinaal telescopische vibrator. Figuren 14a en b zijn de convexe vormen van de type I flextensionele transducerstructuur en concave structuur; zoals getoond in figuur 14c wordt de longitudinale excitatievibrator van de transducer in axiale richting verlengd om het volume van het functionele materiaal te vergroten om zich te ontwikkelen tot een type II flextensionele transducer; zoals weergegeven in figuur 14d is de buigtrillingsmantel ontworpen in de vorm van twee of meer secties en ontwikkeld tot een type III flextrektransducer. Zowel type II als type III flextensionele transducers hebben overeenkomstige concave structuren.

△Buigspanningstransducer met plat roterend lichaam. Dit type transducer wordt aangedreven door een radiaal uitzettende vibrator om een rotatiesymmetrische buigtrillingsmantel aan te drijven, zoals weergegeven in figuur 15. De vibrerende schaal van de transducer is een rotatiesymmetrische structuur, meestal een paar convexe of concave bolvormige kronen (of bolvormige kronen), aangedreven door een radiaal uitzettende ring of schijfvibrator. Figuur 15a toont de ring Drive V-type flextensionele transducer, b is een wafelaangedreven V-type flextensionele transducer. transducer, c is een type VI flextensional transducer, d en e zijn kleine flextensional transducers ontwikkeld op basis van structuur b. Het apparaat heet Cymbal transducer.

△ Holtestructuur laagfrequente transducer. Helmholtz-resonator is de basisvorm van een onderwater-akoestische transducer met holtestructuur, zoals weergegeven in figuur 16. a, b en c zijn de drie basisstructuren van Helmholtz-resonatoren, die gebruik maken van piëzo-elektrische keramische buisexcitatie, buigschijfexcitatie en piëzo-elektrische keramische balexcitatie. Helmholtz-resonatoren hebben over het algemeen een smalle werkfrequentieband, en d wordt gebruikt op basis van b. De dubbele werkoppervlakken van de gebogen schijf exciteren de resonantieholtes van verschillende volumes om de dubbele resonantiewerking te realiseren. De literatuur heeft een completer Helmholtz-resonatoranalysemodel opgesteld en de relatie tussen de werkkarakteristieken en structurele parameters van de 300HZ Helmholtz-resonator geanalyseerd. Morozov et al. ontwierp een onderwaterpijporgelgeluidsbron (getoond in figuur 17). Het ontwerp van figuur 17a realiseert frequentieafstemming door de huls te bewegen om de impedantie van het resonantiesysteem te veranderen. De afstemfrequentie varieert van 225 tot 325 Hz, en het rendement kan oplopen tot 80% of meer, wat het hoge Q-systeem (kwaliteitsfactor) met hoge efficiëntie-eigenschappen weerspiegelt; Figuur 17b Het ontwerp maakt gebruik van een structuur met dubbele buizen en een ingebouwde bolvormige geluidsbron om resonantie met dubbele frequentie te bereiken. De laagfrequente resonantie is een holteresonantie die bestaat uit een huls met dubbele sectie. De hoogfrequente resonantie is alleen de resonantie die overeenkomt met de binnenste resonantiebuis. De buitenhuls en de binnenste resonantiebuis kunnen metallisch aluminium of niet-metalen koolstofvezelmaterialen gebruiken.

⑵ Innovatief ontwerp van breedbandtransducer

In de geschiedenis van de ontwikkeling van akoestische onderwatertechnologie is een verscheidenheid aan structurele vormen van akoestische onderwatertransducers geproduceerd, elk met werkingskenmerken die worden bepaald door zijn structurele kenmerken. Om zich aan te passen aan de technische behoeften van breedbandtoepassingen, wordt bijna elke structurele transducer geconfronteerd met de technische problemen van breedbandontwerp en procesverbetering. Onder hen is de longitudinale transducer een van de meest voorkomende structurele vormen van transducers op het gebied van onderwater breedbandtransducer . De onderzoeksresultaten op het gebied van het ontwerp en de toepassing van breedband zijn behoorlijk rijk. De technische principes van het breedbandontwerp van andere structurele transducers zijn in principe vergelijkbaar. Deze sectie richt zich op een reeks nieuwe ontwerpideeën gebaseerd op longitudinale transducers om breedbandkarakteristieken te bereiken.

① Bandcombinatie breedband longitudinale transducer

De toepassing van frequentiebandcombinaties is al in een vroeg stadium van de ontwikkeling van sonartechnologie begonnen. Vroeg werk werd gezien in de jaren veertig. Drie magnetostrictieve longitudinale transducers met verschillende resonantiefrequenties werden gebruikt om een ​​rechthoekige stralingsplaat aan te drijven en zes transducers in een ladderopstelling. Aangedreven door een gemeenschappelijke wikkelspoel (getoond in figuur 18), zijn de onafhankelijke resonantiefrequenties van de transducer respectievelijk 21,5, 23 en 24,5 kHz, Q=12 en Q=4 na de combinatie. Hoewel deze frequentiebandcombinatiemethode niet strikt een breedbandtransducer is, wordt deze nog steeds veel gebruikt op het gebied van onderwaterakoestiek, vooral in akoestische systemen zoals geluidssimulatie en akoestische lokvogels. De apparaatcombinatie realiseert ultrabreedbandemissiekarakteristieken.

 

② Breedband longitudinale transducer met modale koppeling

Bij de analyse van het eendimensionale model wordt er gewoonlijk van uitgegaan dat de voorkant van de longitudinale transducer op de manier van een zuiger trilt, dat wil zeggen dat er geen buigtrilling optreedt. Wanneer de hoorn van het stralingsoppervlak van de transducer relatief breed is, moet deze gepaard gaan met buigtrilling, wat redelijk is. Door de buigtrillingsmodus van de voorklep te gebruiken om deze effectief te koppelen aan de longitudinale trillingsmodus, kan een breedbandige longitudinale transducer worden ontworpen. De literatuur heeft het koppelingseffect van buigtrillingen en longitudinale trillingen van de vierkant uitstralende afdekplaat bestudeerd en een breedbandtransducer ontworpen. In een andere literatuur wordt een trillende en buigende schijf ingebed in de stralingsafdekking, en wordt de buigende schijf gekoppeld aan de trillingsmodus van de longitudinale transducer, en wordt de breedbandtransducer ontworpen en ontwikkeld zoals getoond in figuur 19a. De piëzo-elektrische stapel van de longitudinale transducer kan in meerdere groepen worden ontworpen. Zoals weergegeven in figuur 19b is het de basisstructuur van de transducer die dubbele excitatiemodale koppeling gebruikt om breedbandwerking te bereiken. Butler is gebaseerd op de structuur van de longitudinale transducer met dubbele excitatie. Diepgaande ontwikkeling, zoals het gebruik van magnetostrictieve en piëzo-elektrische hybride dubbele excitatie om een ​​breedband longitudinale transducer te ontwerpen, en de voorkant om een ​​1/4 golflengte-aanpassingslaag te plakken en een derde-orde resonantiemodus te ontwerpen die ultrabreedband longitudinale transducer koppelt. Het apparaat, zoals weergegeven in figuur 19c, heeft een werkfrequentieband van 13 tot 37 kHz.

③Breedband longitudinale transducer gekoppeld aan vloeistofholte

Het typische ontwerp van de koppeling tussen de longitudinale transducer en de vloeistofholte is de Janus-Helmholtz-transducer (weergegeven in figuur 20). De longitudinale transducer heeft een stralingsstructuur met twee uiteinden, genaamd Janus, met een cilindrische huls die is ontworpen om een ​​Helmholtz-resonantieholte te vormen tussen de dubbele stralingskoppen van Janus; de algemene resonante transducer met vloeistofholte heeft een smalle werkfrequentieband. In de gezamenlijke Janus-toepassing kan breedbandtransmissie worden gerealiseerd door een geoptimaliseerd ontwerp van modale koppeling.

Gall ontwierp twee Janus-Helmholtz-transducers, 300 Hz en 160 Hz, en bestudeerde diepgaand het effect van het toevoegen van een meegevende buis in de Helmholtz-resonantieholte op de breedbandwerkingskarakteristieken van de transducer.

⒊Technische innovatie om de kracht van het uitgezonden geluid te verbeteren

De directe manier om het geluidsvermogen van een akoestische onderwatertransducer te vergroten, is door het volume van de transducer te vergroten, het aantal te verhogen en een dicht opeengepakte matrix te vormen. De meest effectieve methode is het gebruik van functionele materialen met een hoge energiedichtheid. In de voorgaande hoofdstukken is de toepassing van functionele materialen met hoge energiedichtheid uitgelegd. Dit gedeelte richt zich op de technische innovaties in de structuur en het proces van transducers met een klein volume en een hoog vermogen.

Bij het beschrijven van de voor- en nadelen van het kleine formaat en de hoge vermogenskarakteristieken van de transducer, wordt over het algemeen het volumecijfer van verdienste gebruikt om te meten, namelijk

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Formule ⑴ definieert de volumewaardefactor van een bepaald type transducer, waarbij: Wa het geluidsvermogen (W) is, V het volume van de transducer (m3), f0 de resonantiefrequentie (Hz), Q de kwaliteitsfactor is. De volumewaardefactor van het apparaat hangt nauw samen met de structuur en functionele materialen. Delany ontwierp en ontwikkelde een compacte gebogen schijftransducer (Bender), en analyseerde en bestudeerde systematisch de werkkenmerken van Benders laagfrequente, kleine en krachtige werking.

 

 

Er is literatuur waarin de buigspanningstransducer van het concave type I (type concave cilinder) wordt ontworpen tot een compactere combinatie, waardoor meerdere transducerclusters in een beperkt volume de volumeverplaatsing kunnen maximaliseren en grote vermogenskarakteristieken kunnen bereiken. Zoals weergegeven in figuur 21 is de top van 6 type I flextensionele transducers samen geclusterd om een 'driedimensionale zespuntige ster' flextensionele transducer te vormen, die de kenmerken heeft van een compacte structuur, lage frequentie, hoog vermogen en brede frequentieband: fundamenteel resonantiefrequentie De zendspanningsrespons bij 1,15 kHz is 127 dB, omnidirectioneel, en de zendspanningsrespons van 800 Hz tot 10 kHz is groter dan 120 dB. De FOMv-parameter wordt niet in de literatuur gegeven en er wordt verwacht dat deze gelijkwaardig is aan of hoger is dan de 'stervormige' flextensionele transducer.

Het bovenstaande ontwerp en de analyse voor het nastreven van kleine afmetingen en hoog vermogen gaan in principe uit van de elektrische en mechanische limieten en houden alleen rekening met de energiedichtheid van functionele materialen en de trillingslimiet van de constructie. Wanneer de transducer een lange puls of continu gebruik vereist, zullen de warmte en warmtedissipatie van de transducer het grootste probleem zijn onder omstandigheden met hoog vermogen. Op dit moment is de thermische limiet de belangrijkste factor die het uiteindelijke vermogen van de transducer beperkt. De thermische limiet van de transducer is een van de belangrijke basiskwesties die zich in de techniek voordoen. Net als de procesdetails van de transducer zijn er niet veel openbaar gerapporteerde onderzoeksrapporten. Er is literatuur waarin de thermische problemen van laagfrequente en hoogvermogen transducers worden gemodelleerd en geanalyseerd, en de thermische geleidingsproblemen van Janus-Helmholtz en Type IV flextensionele transducers worden besproken. Wanneer de transducer in ondiep water werkt, met name bij lage frequentie en hoge vermogensoverdracht, zal het vergroten van het geluidsvermogen ook beperkt worden door de akoestische limiet van de cavitatiefactor. Tegen deze achtergrond is de methode om het vermogen van een enkele transducer te vergroten niet langer effectief. De basisarray wordt ook beperkt, zodat er maar één manier is om een ​​sparse basisarray te vormen.

Daarom is het bij het ontwerpen van laagfrequente en hoogvermogentransducers noodzakelijk om op rationele wijze de structurele vorm en materialen voor de aandrijffunctie te kiezen, rekening houdend met factoren zoals elektrische limiet, mechanische limiet, thermische limiet en akoestische limiet, en om een ​​algemene analyse en uitgebreide optimalisatie uit te voeren. Er is een optimale relatie tussen het grensvermogen en het volume van de transducer. Diepgaand onderzoek hiernaar zal in de toekomst een van de technische richtingen zijn van laagfrequente en hoogvermogen-transducers.

 

⒋Technologische innovatie om de hydrostatische drukweerstand te vergroten

Momenteel heeft de academische gemeenschap ontwikkelingsideeën voorgesteld zoals transparante oceanen en geïnformatiseerde oceanen. Het doel is om ervoor te zorgen dat onderwaterinformatietechnologie alle uithoeken van de oceaan kan bestrijken, inclusief poolgebieden en abyssale loopgraven. Daarom hebben ze op grotere diepte eisen gesteld aan het gebruik van akoestische onderwatertransducers. Stel zelfs de mogelijkheid om in diepe zeeën te werken op de proef. De hydrostatische drukweerstandscapaciteit van de transducer hangt nauw samen met de structuur van de transducer, vooral voor laagfrequente emissietransducers met een lage structurele stijfheid. Het oplossen van de hydrostatische drukweerstandsstructuurtechnologie is een belangrijk onderwerp geworden op het gebied van de huidige transducertechnologie. De huidige effectieve methoden en middelen om de werkdiepte op te lossen omvatten voornamelijk vloeistofvulling, conforme buisafstemming met vloeistofvulling, natuurlijke structurele ondersteuning, hogedrukgascilindercompensatie, airbagcompensatie, enz., Op werkdiepten boven 1000 meter is de enige effectieve technische methode vloeistofvultechnologie, waaronder het vrije overlooptype gebruikt direct zeewater als vulvloeistof of vult een aantal olie-impedantiemedia om een ​​zelfstatische drukbalans te bereiken; binnen 1000 m kan de drukbestendige compliantiebuis tegelijkertijd in de vloeistofholte worden gebruikt om de compliantie van de vloeistofholte te verbeteren; Binnen een straal van 200 meter is de natuurlijke ondersteuning van de constructie bestand tegen hydrostatische druk. Sommige transducers met een zeer lage structurele stijfheid (zoals transducers met bewegende spoel) kunnen hogedrukluchtcilinders gebruiken om drukcompensatie te bieden. Over het algemeen kan binnen een straal van 100 meter gebruik worden gemaakt van airbagcompensatie. De hierboven geïntroduceerde holtestructuurtransducer kan in het algemeen worden ontworpen als een met vloeistof gevulde werkmodus om werk in diep water te bereiken. In deze sectie worden verschillende toepassingsvoorbeelden gegeven van het ontwerpen van met olie gevulde constructies.

 

Kendig 's onderzoekswerk gepubliceerd in 1965, gecombineerde toepassing van 4 PZT-4 piëzo-elektrische keramische schijfaangedreven longitudinale transducers, gevuld met siliconenolie om de leegte te beschermen die gevormd is tussen de stalen schaal (inclusief de geluidsoverbrengende rubberen plaat) en de transducer. De holte is verbonden met de achterste vloeistofkamer. Het geluiddoorlatende rubber aan de voorkant en het rubberen raam aan de achterkant staan ​​in contact met zeewater om een ​​intern en extern drukevenwicht te bereiken. De werkbandbreedte van de transducer is 30-50 kHz, en het werk binnen het hydrostatische drukbereik van 0-6,9 MPa is experimenteel bestudeerd. Kenmerkend is dat deze drukbalansmethode nog steeds wordt gebruikt in veel diepwatersonar-arrays. Figuur 22b toont een toroïdale transducer met vrije overloop en een met olie gevulde structuur. De piëzo-elektrische keramische ring is opgehangen in een hoes van polyurethaanrubber en de binnenkant is gevuld met siliconenolie om een ​​drukevenwicht met de buitenwereld te bereiken. De polyurethaanrubberen hoes is een ideaal geluidsoverbrengend materiaal. Dit soort transducer heeft vergelijkbare werkeigenschappen als de directe infusiecoating van polyurethaanrubber. Voor PZT-4 ronde buis Φ 150 mm × Φ 140 mm × 50 mm, de simulatieanalyse en experimentstudie van polyurethaanrubber in het frequentiebereik van 5 ~ 10 kHz. Het materiaal van de huls is vervangen door een titaniumlegering of staal. Als gevolg hiervan vermindert de titaniumlegering de emissiespanningsrespons met ongeveer 6 dB, en vermindert het staal de emissiespanningsrespons met ongeveer 12 dB.

 

3. Conclusie

Kijkend naar de honderdjarige ontwikkelingsgeschiedenis van transducertechnologie, vanaf de geboorte van de eerste piëzo-elektrische transducer tot de krachtige ontwikkeling van moderne transducertechnologie, zijn er regelmatig technologische innovaties op het gebied van akoestische onderwatertransducers naar voren gekomen. De belangrijkste doelstellingen van de innovatie en ontwikkeling van transducertechnologie zijn onder meer: ​​het vereenvoudigen van complexe processen, het doorbreken van technische knelpunten, het herschrijven van technische grenzen, het verbeteren van uitgebreide technische prestaties, het voorstellen van nieuwe concepten en nieuwe mechanismen, het genereren en ontwikkelen van nieuwe technische richtingen, en het verdiepen en perfectioneren van de theorie van transducerdisciplines Systeem enzovoort. Dit artikel introduceert enkele onderzoekscases die het innovatieve ontwerp en voortreffelijke vakmanschap van de transducer weerspiegelen vanuit de aspecten van nieuwe materiaaltoepassing, nieuwe transducerstructuur en -technologie, enz.