Forskningsfremgang og utviklingsmuligheter for akustisk transduserteknologi under vann

Akustiske bølger anses å være den eneste informasjonsbæreren som kan reise lange avstander i havet. Havforskning, ressursutvikling og maritime militære kamper er alle uatskillelige fra akustisk undervannsteknologi. Utviklingen av hydroakustisk teknologi krever forskjellige typer hydroakustiske transdusere for å gi støtte, og oppdraget til hydroakustiske transdusere er å overføre og motta lydbølger under vann, så hydroakustiske transdusere er kjent som 'øyne og ører til hydroakustisk utstyr. Utviklingen av hydroakustiske transdusere inkluderer hovedsakelig bruk av nye materialer, innføring av nye prosesser og forbedring av design og forbedring av nye prosesser. omfattende teknisk ytelse av transduseren Den presserende etterspørselen fra feltet av hydroakustiske transdusere er den direkte utviklingen av hydroakustiske transdusere. kombinert med mitt lands marin teknologiutviklingsstrategi og -situasjon, diskuter kort utfordringene og utviklingsmulighetene som dagens undervanns akustiske transduserteknologi står overfor.

 

De undervanns akustisk transduser er en type sensor som realiserer konverteringen av lyd og andre former for energi eller informasjon i vannmediet; den akustiske undervannstransduseren er front-end-utstyret til ekkoloddsystemet, og det er også interaksjonen mellom ekkoloddsystemet og vannmediet for å utveksle informasjon. vindu'. Feltet for forskning og utvikling av akustisk undervannstransduserteknologi involverer integrasjon av flere disipliner, og de nært beslektede disipliner inkluderer hovedsakelig: fysikk, materialvitenskap, matematikk, mekanikk, elektronikk, kjemi, mekanikk, etc., så utviklingen av undervanns akustiske transdusere Det er nært knyttet til de samme fagområdene som er begrenset og begrenset til de samme fagene til forskjellige tider, og er begrenset. Disipliner å dømme ut fra tiårene med utviklingshistorie for mitt lands hydroakustiske transdusere, kommer den største utviklingsmotivasjonen fra applikasjonskravene innen hydroakustisk teknologi, men frem til slutten av det 20. århundre manglet utviklingen av mitt lands hydroakustiske transduserteknologi en generell og systematisk karakter.

 

1.1 Forskningsfremgang for lavfrekvente transdusere

Som svar på de presserende behovene for overføring av ultralang rekkevidde undervannsinformasjon og utviklingen av ultra-stealth ubåtdeteksjon, har lavfrekvente transdusere blitt en av de mest bekymrede hotspots innen akustiske undervannstransdusere siden det 21. århundre. Arbeidsfrekvensbåndet til utenlandsk ultra-langdistansedeteksjon og kommunikasjonssonar er redusert til ca. 100 Hz. Lavfrekvente transdusere involverer mange teoretiske og tekniske problemer, som ikke er løst godt i dag, og dette aspektet vil fortsatt være forsknings-hotspot og fokus i den fremtidige utviklingen. Denne delen velger forskningsarbeidet til lavfrekvente svingere med bøyningsvibrasjoner og bøyespenningstransdusere, og oppsummerer de nye teknologiske prestasjonene.

 

1.1.1 Lavfrekvent svinger for bøyevibrasjoner

Det første tekniske problemet med utviklingen av lavfrekvente undervannstransdusere er den geometriske størrelsen. Generelt er arbeidsfrekvensen til resonanstransdusere omvendt proporsjonal med den geometriske størrelsen. Det vil si at jo lavere frekvensen til transduseren er, desto større vil den geometriske størrelsen være. Vibrasjon kan effektivt redusere den geometriske størrelsen til lavfrekvente transdusere. De nye designene av lavfrekvente bøyningsvibrasjonstransdusere i Kina de siste 20 årene inkluderer hovedsakelig kurvede stråletransdusere og kurvede skivetransdusere.

 

(1) Bøyestråletransduser. Design en sylindrisk utkragende strålebredbåndssendertransduser (Figur 1a). Strukturdesignet kombinerer egenskapene til modal frekvens med lav bøyningsvibrasjon og metoden for multimodal vibrasjonskobling for å utvide frekvensbåndet. Chai Yong et al. Det er foreslått en rør-stråle koplingsring-transduser (Figur 1b). Ved å legge til en buet bjelke til den innlagte ringformede transduseren for å danne en rør-bjelkekoblingsstruktur, økes den effektive arbeidsmodusen. Bruk multi-modus kobling for å oppnå lavfrekvente og bredbånds driftsegenskaper. Overløpsstrukturen er tatt i bruk, og dens evne til å motstå hydrostatisk trykk er verifisert ved den faktiske anvendelsen av 3 000 m dyphavs nedsenkbar standard. Xu et al. foreslått to designordninger for sylindriske lavfrekvente transdusere (figur 1c og d), utførte en serie simuleringer og ga emisjonsresponskurvene drevet av de nye magnetostriktive materialene Terfenol-D og Galfenol. Den demonstrerer potensialet til transduserstrukturen for ultralavfrekvente applikasjoner.

Figur 1 Ny design av lavfrekvent transduser for buet bjelke (a), 0 er en fast bjelke, og 1-5 er sylindriske bjelker med forskjellige tykkelser

(3) Bøyd disksvinger. Den buede skivesvingeren inkluderer strukturer med tre stabler, dobbeltstabler og så videre. Figur 2a viser en kompakt, buet skive-transduser sammensatt av et par doble lamineringer. Det utenlandske forskningsarbeidet er relativt modent. Det er utført dyptgående forskning på denne grunnleggende strukturen til den buede skive-transduseren. Med utgangspunkt i denne grunnleggende strukturen, ved å designe væskekammeret og forbedre kjøremodusen, har noen nye design blitt produsert]. Figur 2b er en kurvet skivetransduser drevet av en mosaikkring. Utformingen av figur 2c bruker kurvede skivetransdusere av forskjellige størrelser for å danne en matrise, og bruker forskjellige drivmetoder for å oppnå bredbåndsdrift. Figur 2d er en kurvet skivetransduser med overløpshulromstruktur. Størrelsen på væskehulrommet er riktig justert i designet for å møte kravene til akustisk ytelse. Det er en kurvet skivesvinger drevet av galfenol, som bruker en struktur som ligner på en langsgående transduser for å stimulere bøyningsvibrasjonen til fronten som stråler 

Figur 2 Ny design av lavfrekvent svinger med buet skive

1.1.2 Flextensjonal transduser

Konseptet med flekstensjonstransduseren startet fra Hayes patent i 1936. Den grunnleggende arbeidsmodusen er at en eller flere teleskopiske vibratorer driver det bøyelige vibrasjonsskallet for å generere lavfrekvent lydstråling. Forskningen og anvendelsen av flekstensjonstransdusere i mitt land har vært aktiv siden slutten av det 20. århundre. Forskere har designet flekstensjonelle transdusere med ulike strukturer. I henhold til strukturen og eksitasjonsmetoden er flextension-transduserne delt inn i tre kategorier. Denne klassifiseringsmetoden brukes her for å introdusere separat.

 

(2) Bøyespenningstransduser med sylindrisk struktur. Denne typen svinger drives av en langsgående teleskopisk vibrator for å overføre bøyningsvibrasjonsskallet. Det vibrerende skallet til transduseren er en translasjonsstruktur, det vil si et sylindrisk skall av forskjellige former, som drives av en eller flere langsgående teleskopiske vibratorer. Inkludert IV-type bøyesensjonstransduser og dens deformasjonsstruktur, VII-type bøyesensjonstransduser, firkantet bøyningstransduser, etc. Figur 3a er en typisk IV-type bøyningstransduserstruktur. IV-type flextension-transduser drevet av et relaxor ferroelektrisk enkrystall PMNT-materiale er utviklet. IV-type flextension-transduseren drevet av det gigantiske magnetostriktive materialet Terfenol-D av sjeldne jordarter ble utviklet. Figur 3b er den nye utformingen av VII-type flextension-transduseren, som drives av det gigantiske magnetostriktive materialet Terfenol-D av sjeldne jordarter. Eksiteringsmetoden er designet på den bredeste delen av tverrmålet, og et par parallelle vibratorer er designet for å gi en dyptgående titt på denne typen svinger. Serien av undersøkelser inkluderer analyse av forspenningsdesign, teoretisk modellering, modal analyse, eksperimentell forskning, etc. Figur 3c er en forbedret ny design av IV-type flextensional transduser, som ligner designforbedringen av type I flextensional transduser til type II flextensional transduser, ved bruk av en elliptisk skallstruktur med en lang transduser, drevet av en avslappet transduser. ferroelektrisk enkeltkrystallmateriale PMNT, som har bedre bredbåndsdriftsegenskaper enn den generelle IV-type flextension-transduseren. Figur 3d er den tidligste nye utformingen for å forbedre IV-type flextensjonstransduseren i Kina – fiskeleppe-type flextensional transduseren, som bruker et elliptisk skall med variabel høyde og bruker det sjeldne jordart supermagnetostriktive materialet Terfenol-D-drive, dette spesialformede vibrerende skallet har en spakarmeffekt og en høyt vektet dobbelforsterkning. For øyeblikket er Terfenol-D-fleksisvingeren med fiskeleppe blitt serialisert og designet til en dobbeltskallstruktur for å øke overføringskraften ytterligere. Den maksimale lydeffekten til en enkelt transduser kan nå 10 000 watt, noe som gjør den til en lavfrekvent høyeffektstransduser innenlands. En av de grunnleggende typene. Figur 3e er en ortogonal eksitasjonsfiresidig bøyningstransduser, som tar i bruk en kompakt designforbedring, som kan legge til mer funksjonelle materialer i et begrenset volum og forbedre emisjonslydkildenivået. Figur 3f er en annen forbedret ny design av IV-type bøyningstransduseren, lik designforbedringen av type I bøyningstransduseren til type III bøyningstransduseren, som bruker to elliptiske skall i serie langs langakseretningen. grunnleggende frekvensmodus til bøyeskallet, som bidrar til modal kobling for å oppnå bredbåndsdriftsegenskaper. Figur 3g er en forbedret ny design for eksitasjonsvibratoren til IV-type flextension-transduser. Det er en IV-type bøyesvinger drevet av den sammenleggbare vibratoren. Denne strukturen kombinert med et husmateriale med lav stivhet kan effektivt redusere resonansfrekvensen.

Figur 3 Bøyespenningstransduser med søylestruktur

Det er også kjent som flextensjonstransduseren av kalebasstypen. Det er studert flekstensjonstransduseren av kalebasstypen drevet av PZT og PZT+Terfenol-D. , Simuleringsanalysen av utslippskarakteristiske parametere for leddeksitasjonen utføres. Figur 4c er en konkav-rør bøyningsspenningstransduser eksitert av magnetostriksjon-piezoelektrisk kombinasjon. I designet brukes to eksitasjonselementer, Terfenol-D og PZT, for å danne en kompositt langsgående vibrator. Figur 4d viser den konkave sylindrede bøyesensjonstransduseren. Den er begeistret av den multi-piezoelektriske stabelen. Under forutsetningen om at skallet forblir uendret og det totale volumet av det piezoelektriske keramiske materialet er det samme, ble analysen av forskjellige antall (1-4) piezoelektriske stabeldrev designet og utviklet.

Figur 4 Lang-type svinger for bøyespenning med roterende kropp

En svinger for bøyespenning med roterende kropp av flat type. Denne typen svinger drives av en radielt ekspanderende vibrator for å drive et rotasjonssymmetrisk bøyende vibrasjonsskall. Det vibrerende skallet til transduseren er en rotasjonssymmetrisk struktur, vanligvis et par konvekse eller konkave sfæriske hetter (eller sfæriske hetter) eller den er sammensatt av en skive, etc., drevet av en radielt ekspanderende ring eller skivevibrator, inkludert V-formet bøyningsspenningstransduser, VI-formet bøyningsspenningstransduser, etc. her Liten størrelse V-type flextensional transduser-Cymbal og plate type flextensional transduser . Figur 5a er en liten V-formet bøyningstransduser. Et par metallendestykker drives av en piezoelektrisk keramisk skive som vibrerer radialt for å produsere bøyningsvibrasjoner; Figur 5b er en skiveformet bøyningstransduser, som bruker PZT- i designet. 4 Den radielt polariserte piezoelektriske keramiske ringen driver den buede skiven. Skiven er delt inn i 16 like sektorer langs den radielle slissen for å redusere koplingen av sidevibrasjoner. Flextensjonstransduserne av disse to strukturelle formene har egenskapene til lav resonansfrekvens, liten geometrisk størrelse og høy elektroakustisk effektivitet.

Figur 5 Transduser for bøyespenning med roterende kropp av flat type

1.2 Forskningsfremgang for høyfrekvente bredbåndstransdusere

I tillegg til deteksjonsavstanden som en viktig indikator på akustisk undervannsutstyr, er en annen utviklingsretning å oppnå maksimal mengde målinformasjon som hovedformål. For eksempel høyoppløselig bildeekkolodd, akustisk undervannskommunikasjon med høy datahastighet, etc. Det krever høyfrekvent modusdrift, og arbeidsfrekvensbåndet er så bredt som mulig. Derfor har høyfrekvent bredbåndsundervanns akustisk transduser blitt en nøkkelkomponent i systemet, i likhet med optikk. Linsen til bildesystemet er den samme.

 

Figur 6a er en høyfrekvent bredbåndssvinger med piezoelektrisk keramisk søyle og matchende lag. Forholdet mellom piezoelektrisk keramisk avstand til keramisk størrelse og effekten av fyllmaterialer på båndbredden studeres. Den dobbeltmatchende høyfrekvente bredbåndstransduseren designet i figur 6b bruker piezoelektriske keramiske søyler for å danne en rekke, og legger deretter til en dobbel matchende lagstruktur av metalllag og harpikskomposittmateriale for å oppnå høyfrekvent bredbånds akustisk emisjonsytelse. Figur 6c viser den utformede 1-1-3 piezoelektriske kompositt høyfrekvente bredbåndstransduseren, som består av 1-dimensjonale koblede piezoelektriske søyler og 1-dimensjonale tilkoblede metallsøyler anordnet parallelt i en 3-dimensjonal koblet polymermatrise. Det trefasede piezoelektriske komposittmaterialet er dannet, og den høyfrekvente bredbåndstransduseren er utviklet. Figur 6d viser den utformede 1-3 piezoelektriske høyfrekvente bredbåndstransduseren, som bruker koblingseffekten til tykkelsesvibrasjonsmodusen og førsteordens tverrgående vibrasjonsmodus for å realisere bredbåndsdriftskarakteristikkene. Figur 6e viser den konstruerte piezoelektriske komposittring høyfrekvente bredbåndstransduseren. Den piezoelektriske komposittringen oppnås ved å kutte den piezoelektriske keramiske ringen radielt og helle epoksyharpiks. Deretter oppnås to piezoelektriske komposittringer med forskjellige veggtykkelser. Komposittringen er overlagret for å danne en radialt utstrålende dobbeltresonanstransduser.

 

Figur 6 Høyfrekvent bredbåndssvinger