Nye utviklinger av piezokeramikk brukt i undervanns sonartransdusere

Svinger er en viktig del av ekkolodd. Fra perspektivet til hydroakustikkens historie er hvert trinn i utviklingen av undervannsakustikk uatskillelig fra utviklingen av transduserteknologi. Siden hydroakustiske transdusere spiller en nøkkelrolle i akustisk undervannsteknikk, har mange utviklede land investert enormt i forskningen. Fra historien om utviklingen av akustisk undervannsutstyr, fra begynnelsen av første verdenskrig, Langevin-type svingeren bestående av piezoelektriske keramiske krystaller og metallmasser ble brukt. Etter mange produktutskiftninger ble svingerne brukt. Ytelsen har blitt kraftig forbedret. I løpet av de siste to eller tre tiårene, på grunn av militær etterspørsel, den raske utviklingen av vitenskap og teknologi, kontinuerlig utvikling og anvendelse av nye transdusermaterialer, og anvendelse av finitt piezoelementanalyse i transduserdesign, transduserforskning. Med utgangspunkt i den klassiske teorien og analytiske metoder har mange nye begreper og metoder dukket opp. Den akustiske undervannstransduseren står overfor en ny runde med produkterstatning. Gigantisk magnetostriktiv fortynnet transduser, høyytelses elektrostriktiv piezokeramisk transduser, vektorhydrofon, piezoelektrisk kompositttransduser, lavfrekvent PVDF-hydrofon med stort område, fiberoptisk hydrofon, etc. Det representerer den siste utviklingen innen transduserforskning. Fra dette aspektet ser denne artikkelen frem til den siste utviklingen av undervanns sonartransdusere.

gigantisk magnetostriktiv transduser

På 1970-tallet oppdaget AE Clark at legeringer av sjeldne jordarter har supermagnetostriktive egenskaper. Disse maksimale belastningene forårsaket av magnetostriktive effekter er 6 til 20 ganger større enn de for piezoelektrisk rørtransduser brukt i akustiske undervannstransdusere, og energitettheten er omtrent 10 til 20 ganger, og lydhastigheten er bare 2/3 til 3/4 av den piezoelektriske keramikken, og ytelsessammenligningen mellom det sjeldne jordartsmaterialet Terfenol2D og det konvensjonelle piezoelektriske materialet og PZT er gitt-8. Derfor, under de samme volumforholdene, har Terfenol2D hydroakustisk transduser en resonansfrekvens som er 2/3 til 3/4 lavere enn resonansfrekvensen til den piezoelektriske keramiske hydroakustiske transduseren. Fordi transduseren laget av sjeldne jordarters magnetostriktive materiale Terfenol2D har egenskapene til stor overføringseffekt, lite volum, lett vekt og høytemperaturmiljø, oppnås den i utviklingen av lavfrekvent-veldig lavfrekvent høyeffekts akustisk undervannstransduser. Tilstrekkelig oppmerksomhet og påføring. På 1980-tallet har utviklede land utviklet forskjellige transdusere av sjeldne jordarter og brukt dem på militærfeltet. Sverige har med suksess utviklet kurvede sjeldne jordarters svingere med en lydeffekt på 151 kW for minesveiping. Kina begynte forskning på 1990-tallet, men det har gjort raske fremskritt. De har med suksess utviklet bøyetransdusere for sjeldne jordarter, innlagte transdusere med sjeldne jordartsmetaller og sjeldne jordartstransdusere med komposittstaver, etc. Hovedtrekkene til Terfenol2D-materialer er (1) sprø materialer og vanskelig maskinering. (2) Siden sjeldne jordartsmaterialer ikke bare er et magnetisk ledende materiale, men også et ledende materiale, vil den sjeldne jordartstransduseren når det ytre magnetfeltet endres. Det vil genereres virvelstrømstap inne, og tapene vil være store ved høye frekvenser. Sammenlignet med piezoelektriske keramiske transdusere, må gigantiske magnetostriktive transdusere løse problemer som magnetisk skjevhet, forspenning, virvelstrømtap og dypvannskompensasjon. For tiden finnes det noen løsninger på disse manglene. For å løse problemet med sprøtt materiale og stort virvelstrømstap, studeres det gigantiske magnetostriktive materialet GMPC, pulverisert Terfenol 2D, blandet bindematerialene og presset og dannet ved pulvermetallurgi. For utformingen av gigantiske magnetostriktive transdusere er det en fordelaktig løsning å utnytte dens store deformasjon og høye energitetthet som eksitasjonskilde til bøyetransduseren. Den kan brukes til å lage en rekke lavfrekvente, lite volum og høyeffektkonverteringer. Riktig valg av magnetisk forspenning, forspenning og påføringsteknikker for gigantiske magnetostriktive materialer for sjeldne jordarter har stor innvirkning på svingerens ytelse. Generelt velges den magnetiske forspenningen ved 1/3 av den magnetostriktive metningsverdien, og forspenningen velges fra 7 MPa til 10 MPa for å oppnå en stor utgangseffekt.

Fiberoptisk hydrofon

Fiberoptisk hydrofonteknologi begynte i US Naval Laboratory på slutten av 1970-tallet. Den fiberoptiske hydrofonen har fordelene med høy følsomhet, sterk anti-elektromagnetisk interferens, stort dynamisk område, liten størrelse og lav vekt Pzt4 piezoelektrisk halvkule . Derfor ble teknologien høyt verdsatt så snart den ble født, og den ble sett på som en av nøkkelteknologiene til nasjonalt forsvar. Etter mer enn 20 års utvikling har fiberoptisk hydrofonteknologi gjort store fremskritt i utviklede land, og ulike fiberoptiske hydrofoner har blitt introdusert. De har fullført hel-fiber hydrofon ubåt lydovervåkingssystem, slep linje array, ubåt konform array og så videre. Spesielt har den vellykkede utviklingen av solid-state lasere åpnet en enorm verden av applikasjoner for optiske fibre. Den fiberoptiske hydrofonteknologien har også en god start. Ytelsen til enhetsprototypen har vært nær eller nådd internasjonalt nivå, og forskning på fiberoptisk hydrofonarray-teknologi har blitt utført. Ekkoloddforskningens inntrengning i laserteknologi vil utvilsomt åpne en ny side innen sonarforskning. Alle typer fiberoptiske hydrofoner er designet i henhold til effekten av lydbølger for å gjøre fasemodulasjonen eller intensitetsmoduleringen av fiberen lys. Fiberen er delt inn i multimodusfiber og enkeltmodusfiber. Den fiberoptiske hydrofonen er for det meste laget av enkeltmodusfiber. Interferometertype og lysintensitetsmodulasjonstype. Under påvirkning av lydtrykk genereres stress i kjernen av den optiske fiberen for å forårsake endringer i brytningsindeks og lengde. Disse to endringene forårsaker fasemodulasjon av laseren som forplanter seg i den optiske fiberen. Den fiberoptiske hydrofonen av interferometertype skal bruke fiberen som påvirkes av lydfeltet som den sensitive fiberen, og den andre er skilt fra lydfeltet. Fiberen med en fast faseforskjell brukes som referansefiber, som er plassert på armene til interferometeret, og den fotoelektriske omformeren .Etter syntesen dannes interferens på overflaten av den mottatte fotomultiplikatoren, og akustisk informasjon detekteres. Fordi lysets bølgelengde er veldig liten, er den lette belastningen av signalet forårsaket av lydtrykket ikke en liten endring i forhold til lysets bølgelengde, og forårsaker dermed en stor endring i utgangslysintensiteten, så følsomheten til hydrofonen av fiberinterferenstype er spesielt høy. Den tekniske ytelsen oppnådd av fiberoptisk hydrofon til fiberinterferometeret er som følger: mottaksspenningsfølsomhet: - 140dB (0dB = 1V/μPa) Fasefølsomhet: 2. 56 × 10 - 8 rad / μPa . Frekvensrespons: 16Hz retning ~ 10kd (undulering): rundstrålende (undulasjon ≤ 2. 5dB) Blant alle hydrofoner av intensitetstype er hydrofonen av gittertypen en ny, velprøvd og effektiv akustisk undervannsdetektor. 

Utgangen uttrykkes som en direkte intensitetsmodulasjon av det innfallende lydfeltet. Dets viktigste arbeidsprinsipp er å forårsake den relative forskyvningen av de to gitterne mellom den konstante lyskilden og lysmottakeren under påvirkning av lydfeltet, og mottaksintensiteten er en funksjon av den relative forskyvningen av de to gitterne, slik at lydfeltet kan transformeres. For intensitetsmodulering. Selve gitterhydrofonen består hovedsakelig av to aksialt innrettede optiske bølgeledere (eller fibre) med et lite gap og åpningene i gapet som styrer transmittansen gir den nødvendige intensitetsmodulasjonen. Hydrofonen gir alle fordelene til en direkte intensitetsmodulasjonsenhet og er rimelig. Gittermetoden kan oppnå en relativt høy følsomhet, og enheten er enkel å produsere, uten noen avansert optisk teknologi, og har et dynamisk område på opptil 160 dB, og har evnen til å detektere en forskyvning forårsaket av lyd mindre enn 0,01 A. I tillegg, på grunn av det fleksible valget av gittertetthet, offset, optisk kraft og mer fleksibilitet i hydrofon-strukturen, er det mer fleksibilitet i bruksområdet og hydrofonstrukturen. frekvensområde. For fiberoptiske hydrofoner er skuddstøy forårsaket av strømsvingninger på fotodioden dens viktigste støykilde og blir ofte referert til som den teoretiske støygrensen. I tillegg har strålejustering, referansestråleisolering og kildevibrasjonsisolering en direkte innvirkning på ytelsen. Den største ulempen med fiberoptiske hydrofoner er den store temperatureffekten.