Teknologisk innovasjon i utviklingen av akustiske undervannstransdusere(1)

Teknologisk innovasjon i utviklingen av akustiske undervannstransdusere

 

 

70,8 % av jordens overflate er havet. Det enorme havet er det største ressursskatten på jorden, og havet er også en viktig posisjon for internasjonale militære kamper. Forskning, utvikling og utnyttelse av havet er uatskillelig fra lydbølger. Lydbølger er den eneste informasjonsbæreren som kan reise lange avstander i havet. Utforskning og utvikling av marine ressurser, undervannskommunikasjonstransduser og navigering av skip, gjenkjenning og gjenkjenning av undervannsmål, miljøovervåking og naturkatastrofer og så videre er avhengig av akustisk undervannsteknologi for å oppnå dette. Utviklingen av akustisk undervannsteknologi krever støtte fra alle slags akustiske undervannstransdusere. Oppdraget til akustiske undervannstransdusere er å sende og motta lydbølger under vann, så det kalles «eyes and ears of underwater akustisk utstyr», som kan sies å være akustiske undervannstransdusere. Fødselen til 'H' markerer begynnelsen på utviklingen av hydroakustisk teknologi. Den tekniske utviklingen av hydroakustiske transdusere er en viktig forutsetning og grunnlag for den raske utviklingen av hydroakustisk teknologi(1)

 

De akustisk undervannstransduser er ikke et enkelt isolert emne, men et tverrfaglig teknisk felt. De nært beslektede fagene inkluderer hovedsakelig: fysikk, materialvitenskap, matematikk, mekanikk, elektronikk, kjemi, mekanisk vitenskap, etc., så undervannsakustikk Selv om svingeren bare har en historie med mer enn hundre års utvikling, har den nå blitt et levende fagfelt. Det presserende behovet fra feltet hydroakustisk teknologi er den direkte drivkraften for utviklingen av hydroakustiske transdusere, og utviklingen av funksjonelle materialer og teknologisk fremgang er det viktigste materielle grunnlaget for utviklingen av hydroakustiske transdusere. Gjennom utviklingshistorien til hydroakustiske transdusere, for å møte de stadig økende tekniske kravene innen hydroakustikk i størst grad, blir de tilsvarende funksjonelle materialene kontinuerlig oppdatert. Folk har utført spesiell applikasjonsforskning rundt egenskapene til ulike funksjonelle materialer og designet nye teknologier og nye strukturer har blitt foreslått, som har forbedret og forbedret den omfattende tekniske ytelsen til transduseren, som har muliggjort en endeløs strøm av innovative forskningsresultater på transduseren. Forfatteren velger ut noen typiske forskningseksempler på lanseringstransdusere, analyserer og oppsummerer de innovative ideene til disse forskningsarbeidene fra flere forskjellige vinkler, og håper å gi unge forskere en viss veiledning og opplysning, og aktivt utforske de dyptgripende aspektene ved klassisk forskningsarbeid.

 

1. Teknisk innovasjon av akustisk undervannstransduser basert på funksjonelle materialer

 

I 1915 brukte Paul Langevin fra Frankrike og andre en kondensatorsender og en karbonpartikkelmottaker for å utføre akustiske undervannseksperimenter. Disse to sende- og mottaksenhetene bør være primitive akustiske undervannstransdusere; 1917 ～ 1918 Langevin Zhiwan designet og forbedret kvartstransduseren. Dens vibrator er sammensatt av flere piezoelektriske kvartsplater klemt mellom to tykke stålplater. Denne strukturen kalles Langzhiwan-transduser. Siden naturlig kvarts ikke kan møte den stadig økende etterspørselen, ble det funnet at det vannløselige syntetiske piezoelektriske krystallet Rochelle-saltet har en sterkere piezoelektrisk effekt enn kvarts, men stabilitetsproblemet begrenser anvendelsesområdet, og piezoelektrisiteten er litt dårligere. Ammoniumdihydrogenfosfat (ADP) krystaller, på grunn av deres relativt stabile egenskaper, ble mye brukt i andre verdenskrig. I 1920 ble den magnetostriktive effekten brukt i akustiske undervannstransdusere; i 1925 ble nikkel magnetostriktive transdusere designet og brukt; i 1931 førte den dyptgående studien av tynne nikkelplater til den raske utviklingen av magnetostriktive transdusere. Og gradvis erstattet piezoelektriske krystalltransdusere; i 1944 ble det oppdaget at bariumtitanat-keramikk har sterk piezoelektrisitet etter polarisering, og tapet er mye mindre enn for magnetostriktive materialer. Senere bariumtitanate piezoelektriske keramiske transdusere Det har utviklet seg raskt; den polariserte blyzirkonattitanatkeramikken (PZT) oppdaget i 1954 har sterkere piezoelektrisitet. Til i dag er PZT piezoelektrisk keramikk fortsatt de viktigste funksjonelle materialene til akustiske undervannstransdusere.

 

På 1970-tallet utviklet Dr. Clark AE i USA den gigantiske magnetostriktive ternære legeringen Terfenol-D av sjeldne jordarter. Siden 1990-tallet har de avslappende ferroelektriske enkeltkrystallmaterialene PZN-PT og PMN med høyspenningselektriske egenskaper og høy energitetthet -PT blitt oppdaget etter hverandre, og nye gjennombrudd har blitt gjort i bruksforskningen av disse tre materialene. Denne delen vil fokusere på forskningsresultatene til disse nye funksjonelle materialtransduserne.

 

⒈En ny generasjon magnetostriktive materialer og deres transdusere

Den nye generasjonen av magnetostriktive materialer inkluderer sjeldne jordartslegeringsmaterialer og sjeldne metalllegeringsmaterialer. Den gigantiske magnetostriktive effekten av sjeldne jordartslegeringsmaterialer ble først oppdaget under lave temperaturforhold. Den høyeste magnetostriktive belastningen av Tb0.6Dy0.4-materialet ved 77K er 0,65 %, og den høyeste magnetostriktive belastningen av Terfenol-D ved romtemperatur er 0,25 %. Det er dokumenter som viser at det er utviklet en magnetostriktiv dual-stempel langsgående transduser drevet av en superledende spole. Den sjeldne jordart (terbium-dysprosium) legeringens magnetostriktive stav plasseres i et luftkondisjoneringsrom (temperatur 50-60K), og kjøletårnet sirkuleres og avkjøles av kjøletårnet til kjøleskapet. I rommet gir en superledende materialespole et DC-forspenningsmagnetfelt og et magnetisk eksitasjonsfelt for å eksitere den magnetostriktive stangen for å generere strekkvibrasjon og overføre den til den utstrålende overflaten av stempeltypen gjennom det mekaniske overgangsstykket. Den utstrålende overflaten av stempeltypen skyver vannmediet for å generere trykkbølger for stråling. 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 parametrene er som følger: resonansfrekvensen er 430Hz, det maksimale lydkildenivået er 181,4dB, og effektiviteten er omtrent 25%. Dette undervanns hydrofonsvinger kompliserer produksjonsprosessen for å oppnå lavtemperaturarbeidsforhold. De siste årene har folk vært villige til å bruke Terfenol-D-materialet som fungerer ved romtemperatur for å forenkle produksjonsprosessen, samtidig som de oppnår utmerket strålingsytelse med en ny struktur.

 

Det er den Terfenol-D-drevne åttekantede transmitteren ferdigstilt av Butler lik 1980. 16 sjeldne jordstenger er anordnet i to lag, og 8 sjeldne jordstenger i hvert lag er koblet til en åttekant gjennom en kileformet overgangsblokk og danner en lukket magnetisk krets, overgangsblokken til den utstrålende delen av en 4-del er koblet til den utstrålende overflaten til en 4-del. og sjeldne jordartsstaven er forspent gjennom høyfaste spenningstråder mellom overgangsblokkene. Den interne forspenningen til den sjeldne jordartsstaven er ca. 13,8 MPa, og resonansfrekvensen til transduseren i vann Ved 775 Hz ble den ikke-lineære driften under DC-forspenningsmagnetfelttilstanden og den upartiske felttilstanden sammenlignet, og lydkildenivået 189,8dB under DC-forspenningsmagnetiske felttilstanden og 19 ble realisert ikke-nett-biadB-drift under DC-bias-magnetfelttilstanden og 19. hhv.