Ny type undervanns akustisk transduser og ny teknologi for transduser

Akustiske bølger er den eneste bæreren som mennesker har som kan overføre informasjon og energi over lange avstander i det store havet. På land bruker folk elektromagnetiske bølger for å utvikle radarer. På samme måte bruker folk akustiske bølger som informasjonsbærere for å utvikle undervannsmål for deteksjon, og elektronisk utstyr for posisjonering, identifikasjon og kommunikasjon-ekkolodd. Med front mot det store havet tar ekkolodd et viktig oppdrag som når alle hjørner av det enorme havet, identifiserer forskjellige ting i det, som forteller folk det sanne ansiktet til undervannsverdenen, og hjelper folk med å utforske havets mysterier, for å bli undervannskommunikasjonsnavigasjon, akvatisk fiskeri, marin ressursutvikling, marin geologi og geomorfologisk utforskning, grunnen til at lydmedier har blitt undervannsinformasjon, grunnen til at lydmedier har blitt undervanns-informasjon, den minste dempningskoeffisienten sammenlignet med andre fysiske felt som elektromagnetiske bølger, og kan overføres over lange avstander. Denne fordelen gjør ekkolodd ved å bruke ultralydbølger for å observere under vann fra begynnelsen. Målet begynner og fortsetter å utvikle seg. For tiden er arbeidsfrekvensbåndet til ekkolodd utvidet til et bredt område. Aktivt ekkolodd er utvidet fra titalls Hz til titalls MHz, og lavfrekvente enden av passive ekkolodd er utvidet til infralydområdet. I et så bredt frekvensbånd kalles i følge forskriftene den viktige enheten som stimulerer og genererer lydbølger i form av signaler og sanser og mottar lydbølger i vann uten forvrengning for ekkoloddsvinger eller sonararray. Disse enhetene er front-end-utstyret til ekkoloddsystemet, så vel som 'vinduet' for ekkoloddsystemet for å samhandle med vannmediet og utveksle informasjon, og er 'realisatorene' av ekkoloddsystemets funksjoner, for ekkoloddsvingere eller ekkoloddarrayer. Det blir levende referert til som 'øyne og ører' til ekkoloddsystemet. Med den kontinuerlige utvidelsen av bruksområdet for ekkoloddteknologi og den stadig økende etterspørselen etter militær konfrontasjon og kamp, ​​har nye prinsipper, nye teknologier og nytt ekkoloddutstyr dukket opp etter hverandre, en etter en. Utviklingskravene til ny ekkoloddteknologi har drevet den raske utviklingen av transduserteknologi, og de samme teknologiske gjennombruddene innen transdusere og utviklingen av nye materialer, nye mekanismer og nye strukturer. akustiske undervannstransdusere har også gjort sonarsystemet «forfriskende». Her er en kort oversikt over utviklingsstatusen til transduserteknologi de siste årene basert på informasjonen forfatteren har og det begrensede forståelsesnivået. Det inkluderer hovedsakelig nytt materiale hydroakustisk transduser, ny struktur og ny mekanisme hydroakustisk transduser, ny type hydrofon, bredbåndstransduserteknologi og så videre.

 

2 Nytt materiale akustisk undervannstransduser

 

Svingeren er en enhet som realiserer energikonvertering i ekkoloddsystemet. I transduseren er det et spesielt materiale som har evnen til å omdanne energi. Dette materialet kalles et funksjonelt materiale. De funksjonelle materialene som brukes til å lage transdusere inkluderer hovedsakelig piezoelektriske materialer (som piezoelektriske krystaller, piezoelektriske keramikk, piezoelektriske polymerer, etc.) og magnetostriktive materialer (som nikkel, kobolt, nikkel-jernlegeringer, ferritter, sjeldne jordarters effekt på jernlegeringer, etc.), etc.) realisere den gjensidige konverteringen mellom elektrisk feltenergi eller magnetfeltenergi og mekanisk energi. Transduserteknologiens gjennombrudd er grunnleggende bestemt av det teknologiske gjennombruddet til funksjonelle materialer. De siste årene har ulike tekniske prestasjoner innen funksjonelle materialer også ført til utviklingen av transduserteknologi. Legen oppdaget at de sjeldne jordartmaterialene lantanid har fantastiske magnetostriktive egenskaper, men de har ikke blitt brukt i praksis fordi curiepunktet er lavere enn romtemperatur. Senere ble det oppdaget at binære, ternære eller kvartære legeringer sammensatt av sjeldne jordartselementer og jern også har gigantiske magnetostriktive egenskaper ved romtemperatur. Den mest representative legeringen av sjeldne jordarter er Terfenol-D (sammensetningen er Tb0.27Dy0.73Fe1). 95), har det blitt en ny type funksjonelt materiale som har vakt mye oppmerksomhet siden 1980-tallet. Avslappende ferroelektrisk enkeltkrystall blymagnesiumniobat-blytitanat (PMN-PT) og blysinkniobat-blytitanat (referert til som PZN-PT) er nye typer komposittperovskittkrystallmaterialer, og de dukker også opp En klasse av nye funksjonelle materialer med gode bruksmuligheter. Før dette ble nikkel ofte brukt som materiale for transdusere. I 1917 laget den franske forskeren Langevin en ekkoloddsvinger med en kvartskrystall, og satte en presedens for bruken av piezoelektriske materialer i ekkoloddet på 1940-tallet, BaTiO3 pzt-keramikk med sterke piezoelektriske egenskaper ble vellykket utviklet og ble mye brukt i sonarsystemer. PZT piezoelektriske keramikk utviklet på 1950-tallet har et bredt driftstemperaturområde og utmerkede elektromekaniske egenskaper. Konverteringseffektiviteten veier opp for mangelen på Ba TiO3-keramikk og ble en gang det foretrukne materialet for akustiske undervannstransdusere. Blant dem er det piezoelektriske keramiske materialet med høy energitetthet PZT-8. En enkel sammenligning av materialene ovenfor: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT kan produsere belastninger som er omtrent 5 ganger større enn PZT-8 og 50 ganger større enn nikkel; de piezoelektriske konstantene til PMN-PT og PZN-PT er d33. Det er 6-8 ganger det for PZT-8-materiale. Bruken av disse pzt-materialene til å utvikle nye akustiske undervannstransdusere er et av de aktuelle temaene.

 

Magnetostriktivt materiale av sylinder undervanns akustisk transduser er sjelden, hvilket jordgigantisk magnetostriktivt materiale bruker magnetostriktiv effekt for å realisere den gjensidige konverteringen mellom magnetisk feltenergi og mekanisk energi, og brukes hovedsakelig til å utvikle lavfrekvente og høyeffekts undervanns akustiske emisjonstransdusere. Det er en slags 'kompleks' struktur av den superledende magnetostriktive hydroakustiske transduseren med høy temperatur. Fra perspektivet til strukturen til transduseren er strukturen veldig enkel. Det er en vanlig dual-radiator langsgående transduser. Det såkalte «komplekse» refererer her til dens rike fysiske konnotasjon. Den magnetostriktive kraften til sjeldne jordartslegeringsmaterialer ved lav temperatur er større enn ved romtemperatur. For eksempel er den maksimale magnetostriktive belastningen av Tb0.6Dy0.4 ved 77K temperatur 0,65 %, mens Terfenol-D er ved romtemperatur. Den høyeste magnetostriktive belastningen er 0,25 %. Utviklet en magnetostriktiv hydroakustisk transduser av Tb0.6Dy0.4-materiale med et temperaturområde på 50-60K: det stavformede materialet av sjeldne jordarters legeringer plasseres i klimaanlegget, og kjøletårnet til kjøleskapet er syklisk avkjølt, og luftkondisjoneringsrommet er levert av en superledende koil. Forspenningsmagnetfeltet og det magnetiske eksitasjonsfeltet eksiterer den magnetostriktive stangen for å produsere strekkvibrasjon, som overføres til den utstrålende overflaten av stempeltypen gjennom det mekaniske overgangsstykket, og den strålende overflaten av stempeltypen skyver vannmediet for å generere trykkbølgestråling. Et vakuumkammer er designet i strukturen for å isolere varmeledning. Vakuumkammerets yttervegg er et kuppelformet trykkbestandig deksel, som tåler et trykk på 10 atmosfærer. De viktigste tekniske parameterne er som følger: resonansfrekvens 430 Hz, maksimalt lydkildenivå 181. 4db, effektiviteten er ca 25%. Produksjonsprosessen for denne typen transdusere er komplisert. De siste årene er folk fortsatt villige til å bruke terfenol-D-materiale som fungerer ved romtemperatur, forlate en viss magnetostriktiv belastning og erstatte den med en ny struktur for å oppnå utmerket strålingsytelse. Det følgende er en kort introduksjon til forskningsfremgangen til flere strukturelle magnetostriktive materialer i akustiske undervannstransdusere. Den langsgående transduseren har en enkel struktur. Den magnetostriktive stangen er kombinert med det fremre utstrålende hodet og halemassen for å danne et lignende endimensjonalt vibrasjonssystem. Det fremre strålende hodet er vanligvis laget av lette materialer, og halemassen er vanligvis laget av tette materialer for å oppnå en strålende overflate. Utgang større vibrasjonsforskyvning. To langsgående transdusere utviklet med Terfenol-D-materialer introduseres. Den ene er en generell langsgående transduser med en resonansfrekvens på 1200 Hz, en lydeffekt på 3 kW og en transduservekt på 60 kg; den andre er den sjeldne jordartsstaven i begge ender. Designet som en hornformet utstrålende langsgående transduser med dobbel ende, er resonansfrekvensen 400 Hz, lydeffekten er 1,5 kW, og svingerens vekt er opptil 100 kg. Ringformet transduser: en vanlig polygon omgitt av en rekke sjeldne jordartsstenger, og en serie sirkulære bueoverflater begeistres av overgangsstykket for å lage radielle vibrasjoner for å oppnå akustisk stråling med høy effekt. En serie lavfrekvente høyeffekts toroidale transdusere av sjeldne jordarter er utviklet, inkludert transdusere med en resonansfrekvens på 200 Hz (indre diameter 0,56m, ytre diameter 0,94m, høyde 0,37m, lydkildenivå 193dB, vekt 410kg) og en svinger med en høyde på 3mzdiameter (høyde,2mzdiameter) 1,1m, lydkildenivå 195dB, vekt 5t). Flextensional transduser er en slags transduser som bruker den langsgående vibrasjonen av piezoelektrisk keramisk stabel eller magnetostriktiv stang for å begeistre skallet (eller tønnestrålen) strålingsoverflaten med amplitudeforsterkningseffekt for bøyningsvibrasjon. Flere vanlig brukte transdusere er listet opp. Den langsgående vibrerende stangen begeistrer et rotasjonssymmetrisk buet skall. Skallet kan være en sammenhengende struktur eller en struktur som er kuttet inn i en gruppe bjelker. Purcell brukte Terfenol-D-materiale for å utvikle en konkav bjelkebøy-spenningstransduser (type III), med en resonansfrekvens på 1300 Hz, et lydkildenivå på 188,7 dB og en båndbredde på 600 Hz. På grunn av bruken av en åpen magnetisk krets med enkeltstav, er resonansfrekvensen. Den maksimale elektroakustiske virkningsgraden for vekselstrøm er bare 7 %, og svingerens vekt er 2,7 kg. Fish-lip flextension-transdusere har felles egenskaper. Svingeren begeistres av en langsgående vibrerende stang for å bøye det konvekse eller konkave elliptiske skallet for å oppnå høyeffektsstråling. Fish-lip flextension-transduseren tar i bruk amplitudeforsterkningseffekten. Effekten av vekting med areal øker lydstrålingseffekten. Rapportert at denne nye typen lavfrekvente høyeffekts akustiske undervannstransdusere, inkludert resonansfrekvensen på 210Hz, 450Hz, 800Hz og 1200Hz, er forskningsresultatene til denne nye typen transduser for tiden brukt i aktive lydsystemer som lavfrekvente lydsystemer, f.eks. kilder og støysimulatorer.

 

Avslappende ferroelektrisk materiale undervanns akustisk transduser

 

Relaxor ferroelektriske materialer er en slags potensielle funksjonelle materialer, som kan deles inn i elektrostriktive keramiske typer og relaxor ferroelektriske enkeltkrystalltyper. Produksjonsprosessen av relaxor ferroelektriske enkeltkrystaller er mye mer komplisert enn for elektrostriktive keramiske materialer. Forskere har brukt disse materialene til å lage mange typer transdusere, for eksempel bøyetransdusere, langsgående transdusere og så videre. Transduserproduksjonsteknologien for denne typen materiale er mer komplisert, og det er nødvendig å legge til et elektrisk forspenningsfelt for likestrøm, påføre forspenning og kontrollere prosessens temperatur. Bruken av PMN-PT-BT (bly magnesium niobate-bly titanate-barium titanate) elektrostriktiv keramikk utviklet IV-type flextensional transducer. Forskningsresultatene viser at den utviklede transduseren ikke har maksimert potensialet til materialet. Dette arbeidet vil fortsatt være et av de varme punktene som må utforskes innen akustiske undervannstransdusere i en periode. Bruk av PMN-PT relaxor ferroelektrisk enkeltkrystallmateriale for å studere 64 kanaler med 3,5MHz ultralydsonde, brukt i medisinsk B-ultralyd og Doppler farge ultralydavbildningsutstyr, noe som tyder på at relaxor ferroelektrisk enkeltkrystallmateriale i høyfrekvent bildeekkolodd.

 

Piezoelektrisk polymer film av sfærisk undervanns akustisk transduser kan gjøres til en fleksibel membran, og transduseren kan utformes i hvilken som helst form når du lager transduseren, og den akustiske impedansen til materialet er lav, og det er lett å oppnå impedans med vann og andre væskemedier og biologiske vev. Matching, ofte brukt til å lage høyfrekvente standard hydrofoner, høyfrekvente transdusere, medisinske ultralydsvingere, konforme arrays og diversifiserte kompositt transduser arrays, Den ofte brukte piezoelektriske polymeren for å lage transdusere er hovedsakelig polyvinylidenfluorid (PVDF). For tiden er den mer iøynefallende piezoelektriske polymermaterialfilmen EMFi (forkortelse av elektromekanisk fil), en slags fleksibel polypropylenskumfilm, dens piezoelektriske konstant er omtrent 10 ganger den for PVDF, som kan brukes til å lage høyfølsomme transdusere. Strukturen til EMFi tynnfilmsvingeren har en mottaksoverflatediameter på 35 mm, og mottaksfølsomheten til transduseren er større enn -190dB (referanseverdi er 1V/μPa). Denne typen svinger kan også brukes i luften for å motta eller sende ut lydbølger.

 

Introduksjon av den nye strukturen til akustisk undervannstransduser og ulike transduksjonsmekanismer. Funksjonelle materialer er viktige i transduseren, men de må spilles av en passende struktur. Derfor ser den strukturelle utformingen av transduseren ut til å være spesielt viktig i utviklingen av transduserteknologi. viktig. I henhold til forskjellige bruksområder og forskjellige tekniske krav, eller i henhold til egenskapene til forskjellige transduksjonsmekanismer og funksjonelle materialer, har forskjellige typer transdusere kommet ut etter hverandre, hvorav mange kombinerer tverrfaglige teknologier for i fellesskap å bryte ny mark Tekniske vanskeligheter for å møte noen spesielle tekniske krav. Den høytemperatur superledende magnetostriktive hydroakustiske transduseren er et typisk eksempel. I det foregående innholdet i denne artikkelen og typene transdusere som skal introduseres senere, er mange også nye strukturer og nye mekanismer for akustiske undervannstransdusere. For ikke å gjenta, nevner denne delen bare to andre designeksempler på nye strukturer.

 

Cymbal type (cymbal) transduser er en slags ny struktur transduser som ligner på flextensional transduser. Hver svinger av cymbaltypen består av et par PZT piezoelektriske keramiske skiver og en metallhette er festet sammen. Den piezoelektriske keramiske skiven PZT påfører en vekselspenning for å generere radiell vibrasjon for å eksitere metallhetten for bøyningsvibrasjon, og den hevede metallhetten på transduseren produserer vekslende vibrasjon av 'ekspansjonskrymping'. Stråling lydbølger. Når den samme vekseltrykkbølgen virker på metallhetten, vil trykket overføres til den piezoelektriske keramiske skiven PZT, og vekselspenningen sendes ut ved de to polene til den keramiske skiven, som brukes som mottakstransduser. Resonansfrekvensen til transduseren av cymbaltypen i vann er 16,1 kHz, og emisjonsspenningsresponsen er 130 dB (referanseverdi er 1μPa/V, ved 1m). Figur 5 viser også bildet av matrisen med 9 elementer som består av denne typen transduser. . I den lavfrekvente piezoelektriske svingeren av spiralfjærtypen blir den piezoelektriske keramikken bearbeidet til en spiralfjærform (som vist i figur 6),piezoelektrisk keramisk transduser polariseres i tangentiell retning, og deretter konstrueres et eksitasjonselektrodepar. Den nøytrale seksjonen uten elektroder i midten er adskilt for å danne et ytre ringelektrodepar 1 og et indre ringelektrodepar 2 (se det forstørrede skjematiske diagrammet av et lite fragment i fig. 6). På denne måten tilføres eksitasjonsspenningen V til elektrodeparet, den delen av den piezoelektriske keramikken som styres av det ytre ringelektrodeparet og det indre ringelektrodeparet vil produsere motsatte vibrasjoner (forlengelse eller sammentrekning), og ekspansjons- og sammentrekningsbevegelsen til fjærsystemet vil drive stempelets arbeidsflate til å vibrere lydenergi. På grunn av den lave stivheten til denne strukturen, har den en lav resonansfrekvens og kan brukes som en lavfrekvent transduser. Når den brukes som mottaker, har den også høy følsomhet i lavfrekvensbånd. Med utgangspunkt i den piezoelektriske ligningen ble det elektromekaniske konverteringsforholdet til denne typen transduser oppnådd, og noe utforskende forskningsarbeid ble utført.

 

Introduksjon til ulike energikonverteringsmekanismer i akustiske undervannstransdusere Fra energikonverteringsperspektivet kan transdusere hovedsakelig deles inn i piezoelektriske transdusere som bruker piezoelektrisk effekt for å oppnå energikonvertering og magnetikk som bruker magnetostriktiv effekt for å oppnå energikonvertering. Uttrekkbare transdusere, transduserne som er involvert i det foregående innholdet, tilhører disse to typene.