Teknologisk innovasjon i utviklingen av akustiske undervannstransdusere(2)

     Teknologisk innovasjon i utviklingen av akustiske undervannstransdusere(2)

Jern-gallium-legering (Galfenol) er en ny type magnetostriktivt materiale som har dukket opp de siste årene. Dens magnetostriktive belastning er mellom nikkel og Terfenol-D, ved 300 ppm (ppm er en mikrovariabel, som representerer ΔL/L=10- 6) Over, sammenlignet med Terfenol-D, har den fordelene med høyere relativ permeabilitet (>100), god bearbeidbarhet, høy temperaturstabilitet og høy strekkstyrke. Fordi jern-galliumlegeringsmaterialet har god maskineringsytelse og høy mekanisk styrke, kan det brukes til å designe og behandle bøyningstransduserhuset. Figur 2b er et forskningseksempel på en konkav sylinder bøyningstransduser med et hus av jern-galliumlegering. De undervanns akustisk transduser er drevet Vibratoren er sammensatt av Φ20mm×40mm jern-gallium-legeringselementer og neodym-jern-bor permanentmagnetplater, og danner en lukket magnetisk krets med det utstrålende skallet. De eksperimentelle resultatene viser at transduserens emisjonsstrømrespons er 168,4dB (resonansfrekvens 1750Hz), som er bedre enn duralumin av samme geometriske størrelse. Husomformeren (resonansfrekvens 1900Hz) er forbedret med nesten 5dB, noe som gjenspeiler designfordelene til det aktive huset.

 

Publisert i 2000, forskningsresultatene av magnetostriktiv-piezoelektrisk felles eksitasjon bredbånd langsgående transduser. Den langsgående transduseren drives i fellesskap av Terfenol-D-enheten og PZT-stakken, som realiserer bredbåndsdriften med 1,8KHz og 3,5KHz dobbel resonanstoppkobling. Kjennetegn, litteraturen rapporterte også at 4×4 høyeffekt planar array sammensatt av denne typen svinger, lydkildenivået til arrayet er større enn 225dB i 1,5-6kHz frekvensbåndet.

 

Terfenol-D multi-enhet driv langsgående transduser, forfatteren utformet genialt drivenheten, dens struktur bruker en permanent magnethylse for å påføre et forspenningsmagnetfelt for å skille det statiske magnetiske feltet fra den dynamiske magnetiske kretsen, og den dynamiske magnetiske Permanentmagnetelementene med lav permeabilitet unngås i veien, og magnetfeltets energidriveffekt økes; er det fysiske diagrammet til drivenheten. 4 slike drivenheter er mekanisk koblet i serie for å danne en lavfrekvent langsgående erstatning med frontdekselet og halemassen. Energienheten, den sentrale skruen er forspent; Fig. 3c er det faktiske bildet av transduseren etter pakking, resonansfrekvensen til transduseren er 1,6 kHz, og lydkildenivået er 177bB.

 

Den magnetiske kretsdesignen til den magnetostriktive transduseren er veldig viktig. Butler tok den konkave rørsvingeren som et eksempel og sammenlignet arbeidseffektene til seks magnetiske kretsskjemaer gjennom endelig elementanalyse. De magnetiske kretsstrukturene i fig. 4a-f er henholdsvis .Kontinuerlig sjeldne jordartsstav pluss endedeksel og hylse av rent jern magnetisk permeabelt tilbehør, kontinuerlig sjeldne jordartsstav pluss endedeksel for rent jerngjennomtrengelig tilbehør, kontinuerlig sjeldne jordartsstav uten rent jerngjennomtrengelig tilbehør, kombinasjon av sjeldne jordartsmetallstaver og permanentmagnetstykke pluss ren jern endedeksel og sjeldne jordingsstykker pluss permeabelt endedeksel for sjeldne jordarter og feste. magnetisk permeabelt tilbehørsendedeksel av rent jern, kombinasjon av sjeldne jordartsmetallstaver og permanentmagneter uten rent jerngjennomtrengelig magnetisk tilbehør, de effektive elektromekaniske koblingskoeffisientene beregnes til å være henholdsvis 0,33, 0,30, 0,27, 0,23, 0,21 og 0,20, som indikerer at den effektive elektromekaniske vibrasjonskoeffisienten til en sjeldne jordart. kontinuerlig sjeldne jordartsstav til en sjeldne jordartsstav kombinert med et permanent magnetark. Endehettene og hylsene av rent magnetisk permeabelt tilbehør i jern har en viss effekt på å forbedre den elektromekaniske koblingsytelsen til den sjeldne jordartvibratoren, men for drivmaterialer med lav relativ permeabilitet som Terfenol-D er forbedringen liten, og den effektive elektromekaniske koblingskoeffisienten bestemmes av 0,20 til 0,3273 til 0,3273 eller 0,2373 eller 0,3273.

 

 

2.En ny generasjon piezoelektriske materialer og deres transdusere

Fram til første halvdel av 1900-tallet var alle piezoelektriske materialer enkeltkrystaller. Polykrystallinsk piezoelektrisk keramisk bariumtitanat ble først oppdaget på 1950-tallet, etterfulgt av blyzirkonattitanat (PZT) på 1960-tallet. Ytelsen til disse piezoelektriske keramikkene overgår langt den til tidlige enkeltkrystaller, og PZT har siden blitt det viktigste funksjonelle materialet til akustiske undervannstransdusere.

På midten av 1990-tallet ble det oppdaget nye piezoelektriske enkeltkrystaller av blymagnesiumniobat-blytitanat (PMN-PT) og blysinkniobat-blytitanat (PZN-PT), disse to piezoelektriske enkrystallmaterialene Den har svært høy metningsbelastning (mer enn 1%), lavt taps- og coupeelektrisk. viser de potensielle fordelene ved å øke kraften og utvide frekvensbåndet i retning av den akustiske undervannstransduseren. I de siste årene har det ternære bly-indiumniobat-bly magnesiumniobat-bly titanat (PIN-PMN-PT) og mangan-dopet bly indium niobate-bly magnesium niobate-bly titanat (Mn: PIN-PMN-PT) piezoelektrisk enkeltkrystallmateriale, som ytterligere forbedrer arbeidsforholdene under høye elektriske feltegenskaper.

Anvendelsen av piezoelektriske enkeltkrystallmaterialer som PMN-PT innen undervannsakustikk startet fra design og utvikling av langsgående transdusere. Meyer og andre har utført en rekke forskningsarbeid, inkludert detaljert analyse av 33-modus og 32-modus PMN-PT langsgående transdusere, og en sammenlignende studie med PZT-8. Figur 5a er en 33-modus langsgående transduser drevet av en stabel med 10 PZT-8-skiver, figur 5b er en 33-modus langsgående transduser drevet av en stabel med 3 PMN-PT-skiver, og figur 5c er en 4 PMN-PT-skiver med en lang munnform, 3-formede strimler. svingeren. Resultatene viser at når PMN-PT og PZT-8 brukes til å lage langsgående transdusere med samme frekvens og emisjonskildenivå og andre parametere, er PMN-PT-krystallen. Stabellengden er bare ca. 30% av PZT-8, som viser de tekniske fordelene med piezoelektriske enkrystallmaterialer for å lage små transdusere; 32-modusen kan få enkeltkrystallmaterialene til å kuttes i henhold til den beste ytelsesorienteringen, og samtidig bruke kombinasjonen av lange strimler. Det kan unngå tekniske problemer som å vokse store enkeltskiver, forbedre påliteligheten og konsistensen til svingeren, og har åpenbare fordeler for middels og høyfrekvente lettvekts sonararray-applikasjoner.

Enkeltkrystall har utviklet en sylindrisk transduser sammensatt av innlagte ringer. Hver ring består av 12 kileformede strimler, og 9 ringer er tett sammensatt i aksial retning for å danne en sylinder. Den geometriske størrelsen (Φ20,3 mm × 66 mm) Den er betydelig mindre enn den piezoelektriske keramiske transduseren med samme frekvens, og realiserer bredbåndsarbeidskarakteristikkene på mer enn 2,5 oktav. Et annet dokument bruker PMN-PT enkeltkrystall for å utvikle en konkav tønnesvinger. Drivvibratoren til svingeren er sammensatt av en stabel med 16 aksialt polariserte Φ28mm×Φ10mm×4,8mm elementer, og et vibrasjonsskall av titanlegering. Emisjonsspenningsresponsen er forbedret med mer enn 5dB sammenlignet med samme strukturtransduser av PZT-4-materiale.

Den trigonale-tetragonale faseovergangstemperaturen til PMN-PT-enkeltkrystall er relativt lav, noe som begrenser bruksområdet til en viss grad, spesielt for applikasjoner under høyeffektsforhold. Det ternære bly indium niobat-bly magnesium niobat-bly titanat (PIN-PMN-PT) og mangan dopet enkeltkrystall (Mn: PIN-PMN-PT) gjør faseovergangstemperaturen til relaxor ferroelektrisk enkeltkrystall åpenbar. Øke og kraftig redusere tapsfaktoren samtidig: fasetapet overgangstemperaturen økes fra 125°C til 125°C. 0,26 til 0,15, og tapsfaktoren er bare 1/2 av den vanlige PZT-4 piezoelektriske keramikken. Det er også litteratur som bruker disse to nye formelenkelkrystallene, PMN-PT og PZT-4 for å lage langsgående transdusere og sammenligne deres høyeffekts driftsegenskaper, noe som beviser at det nye formelen enkrystallmaterialet er mer egnet for forhold med høy effekt og stor driftssyklus. Lydkildenivået til PMN-PT-svingeren er 5dB høyere enn PMN-PT-svingeren ved resonansfrekvensen. Sammenlignet med PZT-4 piezoelektrisk keramikk, er lydkildenivået og kraftkapasiteten ved resonansfrekvensen i utgangspunktet ekvivalente, og arbeidsbåndbredden Økes med 1 gang, og det maksimale lydkildenivået utenfor resonansfrekvensen økes med omtrent 6dB.

 

Applikasjonsforskningen av PMN-PT enkrystallmateriale fokuserer for det meste på medisinsk høyfrekvent ultralydavbildningssystem. Her er bare ett tilfelle av Cymbal hydro-akustisk transduserapplikasjonsforskning, ved bruk av Φ12,7 mm×1 mm PMN-PT-element for å drive 0,25 mm tykt titan. Vibrasjonsdekselet i legering har utviklet en bøyespenningstransduser av liten størrelse av Cymbal-typen, som har en 6dB høyere emisjonsspenningsrespons enn den samme P.ZT-transduceren.

 

2. Teknisk innovasjon av akustisk undervannstransduserstruktur og -teknologi

⒈Teknisk innovasjon for å forbedre stråleegenskapene

I moderne ekkolodd brukes vanligvis forskjellige grunnleggende arrays for å oppnå de nødvendige stråleegenskapene. Men når installasjonsåpningen til transduseren er begrenset og det er spesielle krav til stråleegenskapene, må det tas tekniske tiltak for å kontrollere stråleegenskapene til svingeren. De viktigste tekniske tilnærmingene for forbedring inkluderer: baffelapplikasjon, modal superposisjonsteknologi ved bruk av dipoler og multipoler, etc. Denne delen velger noen typiske forskningseksempler, med fokus på analysen og oppsummeringen av bruken av modale superposisjonsmetoder for å forbedre stråleegenskapene til transduseren Tekniske prestasjoner.

⑴Bruk av ledeplaten for å forbedre stråleegenskapene til transduseren

I det tidlige sonarsystemet ble en uavhengig svinger generelt brukt. Når retningsvirkningen ikke kan oppfylle kravene, brukes refleksjonen av ledeplaten til å kontrollere transmisjonsstrålen, som hovedsakelig inkluderer passering gjennom en flat ledeplate, en sylindrisk ledeplate og en sfærisk ledeplate. Plate- og kjegleplate for å endre retningsvirkningen til sylindriske transdusere, stempeltransdusere, sfæriske transdusere, etc., oppfyller til en viss grad behovene til enveis transmisjonsstrålestyring, som vist i figur 6, bruken av doble kjegler. Den reflekterende ledeplaten justerer retningsevnen til den magnetostriktive toroidale transduseren med radiasjonskarakteristika, og radiatorisk transduser.

 

Det er litteratur om at 3kHz type IV bøyningstransduseren er plassert nær fokuset til den parabolske reflektorskjermen, slik at type IV bøyningstransduseren med sin egen ikke-retningsmessige karakter kan oppnå ensrettede strålingsegenskaper. Eksperimentet oppnår en enkeltvinkelåpningsvinkel på 83°. For strålen er responsforskjellen foran og bak 21dB.

⑵ Modal kombinasjonsretningssvinger

Ulike strukturelle transdusere har forskjellige multi-order vibrasjonsmoduser. Resonanstransdusere fungerer vanligvis basert på grunnfrekvensvibrasjonsmodus. Ulike vibrasjonsmoduser vil tilsvare deres effektive eksitasjonsmetoder, så en kombinasjon av eksitasjonsmetoder kan brukes. Realiser superposisjonskjøringen av flere vibrasjonsmoduser, for å oppnå formålet med å endre egenskapene til den overførende strålen. Hovedmodusene som kan endre strålekarakteristikkene til transduseren gjennom kombinasjon inkluderer monopolmodus, dipolmodus og quadrupolmodus, etc. Disse grunnleggende modusene kan oppnå en rekke retningsmønstre gjennom vektet kombinasjon. I denne delen, kombinert med spesifikke litteraturresultater, er det laget en kort analyse og oppsummering av prosesseringsteknologien og eksitasjonsmetodene til forskjellige strukturelle transdusere for å oppnå modal superposisjon.

Eksitasjons-multimodusarbeid bruker vanligvis partisjonseksitasjonsmetoden, slik som: piezoelektrisk keramisk rør eller sfærisk skall bruker ofte splittelektrodemetoden, se figur 7a, b; magnetostriktiv polygon ( ring) transduser, vedtar uavhengig kanteksitasjon.

 

Butler et al. designet og utviklet en 'modal transduser', som fortsatt bruker designideen om partisjonseksitasjon, men bryter gjennom begrensningen av delingen av uavhengige komponenter, ved å bruke 8 uavhengige 1/4 langsgående vibratorer for å dele halemassen, hver transduser. transduser. Den geometriske størrelsen på transduseren er ikke begrenset av prosessbetingelsene til de uavhengige elementene, og lengderetningen til den forspente strukturen blir tatt i bruk samtidig. Vibratoren har tekniske fordeler for utformingen av lavfrekvente og høyeffekts retningstransdusere. Figur 8 viser de grunnleggende modale vibrasjonsformene til den 'modale transduseren'. Modale transdusere basert på PZT-8 piezoelektrisk keramikk, PMN-PT enkeltkrystall og Terfenol-D gigantiske magnetostriktive materialer er blitt designet og utviklet henholdsvis. Den har oppnådd en kardioid retningstransmitterende stråle med en retningsindeks på 6dB og en forskjell på 25dB i front-til-bak-respons.

 

Det er en annen type lavfrekvent og høyeffekts retningsbestemt emisjonstransduser – en sone-eksitert flextension-transduser. I utformingen blir den piezoelektriske stabelen (eller magnetostriktive vibratoren) til bøyningsspenningstransduseren utsatt for soneeksitasjon ved å bruke Kombinasjonen av monopol- og dipolmodus er overlagret for å danne en kardioid retningsbestemt emisjonsstråle. Figur 9a er en 900Hz-direktivitetstype IV bøyningstransduser, og figur 9b er en 3kHz-direktivitetstype VII-flekstensjonstransduser.

Litteraturen studerer en bredbånds multimodus sylindrisk transduser med en ledeplate (vist i figur 10). Elektrodene til det piezoelektriske keramiske sylindriske røret er likt delt inn i to grupper, og uavhengig begeistret for å oppnå en monopol (0-modus) og en dipol (1-modus), og deretter samarbeide med ledeplaten for å realisere den ensidige retningsutslipp. Forskningsarbeidet bruker også faseforholdet mellom modusene til å designe en uavhengig effektforsterker og tuningkrets, gjennom lavfrekvente '0+1' og høyfrekvente '0 + 1'. －1' Modal kombinasjonskontroll realiserer bredbåndsarbeidsegenskaper. Svingeren tar i bruk 4 PZT-4 piezoelektriske runde rør på Φ38.2mm×Φ31.8mm×19mm i høyderetningen, og størrelsen etter emballasje er Φ48mm×79mm. Baffelen er laget av kork-semilaminerte stykker. sylindrisk overflate har en tykkelse på 6 mm, og emisjonsspenningsresponsen svinger med 6dB i 26-46kHz frekvensbåndet.

2. Teknisk innovasjon for å forbedre frekvensegenskaper

Med flerveis utvidelse av bruksretningen for akustisk undervannsteknologi, har arbeidsfrekvensområdet til aktive ekkoloddsystemer blitt kontinuerlig utvidet. Blant dem er arbeidsfrekvensen til høyoppløselig bildeekkolodd økt til 106Hz, og arbeidsfrekvensbåndet for ultra-langdistansedeteksjon og kommunikasjonssonar er enda lavere. Under 100 Hz; på den annen side krever utviklingen av ekkoloddinformasjonsbehandling at transduserens arbeidsfrekvensbånd er så bredt som mulig. Derfor har lavfrekvente transdusere og bredbåndstransdusere vakt mye oppmerksomhet i det undervannsakustiske feltet de siste årene, og forskningsresultatene er ganske rike. Imidlertid er det fortsatt mange teoretiske og tekniske problemer som ikke er løst godt. Dette aspektet vil fortsatt være forskningshotspot og fokus for fremtidig utvikling. Denne delen velger ut forskningsarbeidet i retning av lavfrekvente transdusere og bredbåndstransdusere, og analyserer og oppsummerer dem. Innovative ideer og nye teknologiske prestasjoner.

⑴ Innovativ design av lavfrekvent svinger

① Lavfrekvent svinger for bøyevibrasjoner

Det første tekniske problemet med utviklingen av lavfrekvente transdusere er geometrisk størrelse. Generelt er arbeidsfrekvensen til resonanstransdusere omvendt proporsjonal med den geometriske størrelsen, det vil si at jo lavere frekvensen til transduseren er, desto større er den geometriske størrelsen, for eksempel 500Hz langsgående konvertering. Lengden på energienheten er ca. 3m. Bøyevibrasjoner kan effektivt redusere den geometriske størrelsen til lavfrekvente svingere. Blant dem inkluderer transdusere hvis funksjonelle enheter direkte deltar i bøyningsvibrasjoner hovedsakelig bøyestråletransdusere, bøyeskivetransdusere, etc.

Figur 11a viser en typisk tre-stablet bøyebjelkestruktur. Et stykke piezoelektriske keramiske strimler limes på toppen og bunnen av bøyebjelken. Når en av de piezoelektriske keramiske strimlene strekker seg og den andre trekker seg sammen når den blir begeistret, vil metallbjelken i midten produsere bøyningsvibrasjoner. Denne typen energikonvertering Enheten må eksponeres for vann på den ene siden for å utstråle lydbølger, så vanligvis kombineres flere buede stråler for å danne et lufthulrom, som vist i figur 11b, hver utstrålende overflate vibrerer i fase.

 

Et lignende arbeidsprinsipp kalles en buet skivetransduser med skivestruktur, som også inkluderer en trelags og dobbeltlaminert struktur. Figur 11c viser en kompakt, buet skive-transduser sammensatt av et par dobbeltlaminerte ark. (Bender). Delany-systemanalyse undersøkte Benders lavfrekvente, liten størrelse og høyeffekts driftsegenskaper.

Utviklingen av lavfrekvente svingere med bøyningsvibrasjon inkluderer også en ny strukturdelt toroidal transduser (vist i figur 12). Den delte toroidale transduseren kan betraktes som en spesiell bøyestråletransduser. Den opprinnelige strukturen ble foreslått av Harris i 1957. Den sammensatte ringbjelken var sammensatt av en indre piezoelektrisk keramisk ring og en ytre metallring. Modelleringen og analysen av svingeren var basert på «stemmegaffelmodellen» vist i figur 12b, og drivelementet ble justert til en delt struktur. Den delte ringtransduseren kan utformes med en større størrelse, og massen kan justeres gjennom tykkelsesfordelingen-stivhet for å oppnå optimalisering av driftsfrekvensen og strålingsegenskapene, som vist i figur 12c.

 

②Bøyespenningssvinger

Konseptet med flextensional-transduseren startet fra Hayes sitt patent i 1936. Etter at Toulis publiserte patentet på IV-type flextensional-transduseren i 1966, begynte forskningen og anvendelsen av flextensional-transduseren å være aktiv, og det har vært mer enn halvparten av dem så langt. I århundret med utviklingshistorie har ulike strukturelle former for flextension-transdusere blitt født, og deres arbeidsprinsipper og strukturelle prosesser er fulle av innovative designideer. Vi kan ikke introdusere dem én etter én i den kronologiske rekkefølgen av utviklingen deres, bare flextension-transduserne. Strukturen og insentivmetodene til selskapet er delt inn i følgende tre kategorier, som kort analyseres og oppsummeres.

△Bøyespenningstransduser med sylindrisk struktur. Denne typen transduser drives av en langsgående teleskopisk vibrator for å forvandle bøyningsvibrasjonsskallet, som vist i figur 13. Det vibrerende skallet til transduseren er en translasjonsstruktur, det vil si en sylindrisk overflate av forskjellige former, drevet av en eller flere langsgående teleskopiske vibratorer, a er type V transducer II flextenser, b er type IV transducer flextens. enhet, c er en 'stjerneformet' bøyespenningstransduser drevet av en ortogonal piezoelektrisk stabel, og en 'stjerneformet' bøyespenningstransduser drevet av en firkantet magnetostriktiv vibrator. Siden denne typen transduser er lett å designe en partisjonert eksitasjonsvibrator, velger den retningsbestemte bøyningstransduseren som er beskrevet ovenfor generelt denne typen struktur.

△Bøyespenningstransduser med lang roterende kropp. Denne typen transduser drives av en langsgående teleskopisk vibrator for å drive et rotasjonssymmetrisk bøyende vibrasjonsskall, som vist i figur 14. Det vibrerende skallet til transduseren er en rotasjonssymmetrisk struktur, inkludert en serie tønnebjelker fordelt langs omkretsen, som vanligvis drives av en langsgående teleskopisk vibrasjonsskall. Fig. 14a og b er de konvekse formene av type I bøyningstransduseren Struktur og konkav struktur; som vist i figur 14c, er den langsgående eksitasjonsvibratoren til transduseren forlenget i aksial retning for å øke volumet av det funksjonelle materialet for å utvikle seg til en type II bøyesensjonstransduser; som vist i figur 14d, er bøyningsvibrasjonsskallet utformet i form av to eller flere seksjoner, det er utviklet til en type III bøyesensjonstransduser. Både type II og type III bøyningstransdusere har tilsvarende konkave strukturer.

△Bøyespenningstransduser med flatt roterende legeme. Denne typen transduser drives av en radialt ekspanderende vibrator for å drive et rotasjonssymmetrisk bøyende vibrasjonsskall, som vist i figur 15. Det vibrerende skallet til transduseren er en rotasjonssymmetrisk struktur, vanligvis et par konvekse eller konkave sfæriske kroner (eller sfæriske kroner), som utvider ringen eller ringen, drevet av en skive, figur5. V-type flextensional transduser, b er en wafer-drevet V-type flextensional transduser, c er en type VI flextensional transduser, d og e er små flextensional transdusere utviklet på grunnlag av struktur b Enheten kalles Cymbal transducer.

△ Kavitetsstruktur lavfrekvent svinger. Helmholtz-resonator er den grunnleggende formen for hulromsstruktur undervanns akustisk transduser, som vist i figur 16. a, b og c er de tre grunnleggende strukturene til Helmholtz-resonatorer, som bruker piezoelektrisk keramisk røreksitasjon, bøydiskeksitasjon og piezoelektrisk keramisk kuleeksitasjon. Helmholtz-resonatorer har generelt et smalt arbeidsfrekvensbånd, og d brukes på grunnlag av b De doble arbeidsflatene til den buede skiven eksiterer resonanshulrommene med forskjellige volumer for å realisere den doble resonansoperasjonen. Litteraturen etablerte en mer komplett Helmholtz-resonatoranalysemodell, og analyserte forholdet mellom arbeidsegenskapene og strukturelle parametere til 300HZ Helmholtz-resonatoren. Morozov et al. designet en lydkilde for et rørorgel under vann (vist i figur 17). Utformingen på figur 17a realiserer frekvensinnstilling ved å bevege hylsen for å endre impedansen til resonanssystemet. Innstillingsfrekvensen varierer fra 225 til 325 Hz, og effektiviteten er opptil 80 % eller mer, noe som gjenspeiler systemet med høy Q (kvalitetsfaktor) med høy effektivitetsegenskaper; Figur 17b Designet bruker en dobbeltrørstruktur med en innebygd sfærisk lydkilde for å oppnå dobbelfrekvensresonans. Lavfrekvent resonans er en hulromsresonans som består av en dobbeltseksjonshylse. Høyfrekvent resonans er bare resonansen som tilsvarer det indre resonansrøret. Den ytre hylsen og det indre resonansrøret kan bruke metallisk aluminium eller ikke-metalliske karbonfibermaterialer.

⑵ Innovativ design av bredbåndssvinger

I historien om utviklingen av akustisk undervannsteknologi har det blitt produsert en rekke strukturelle former for akustiske undervannstransdusere, hver med arbeidsegenskaper bestemt av dens strukturelle egenskaper. For å tilpasse seg de tekniske behovene til bredbåndsapplikasjoner, står nesten alle strukturelle transdusere overfor de tekniske problemene med bredbåndsdesign og prosessforbedring. Blant dem er den langsgående transduseren en av de vanligste strukturelle formene for transdusere innen undervanns bredbåndssvinger . Forskningsresultatene for bredbåndsdesign og bruk er ganske rike. De tekniske prinsippene for bredbåndsdesignet til andre strukturelle transdusere er i utgangspunktet like. Denne delen fokuserer på en rekke nye designideer basert på langsgående transdusere for å oppnå bredbåndskarakteristikk.

① Båndkombinasjon bredbånd langsgående transduser

Anvendelsen av frekvensbåndkombinasjoner har allerede begynt i det tidlige stadiet av utviklingen av ekkoloddteknologi. Tidlig arbeid ble sett på 1940-tallet. Tre magnetostriktive langsgående transdusere med forskjellige resonansfrekvenser ble brukt til å drive en rektangulær utstrålende plate og seks transdusere i et stigearrangement. Drevet av en felles viklingsspole (vist i figur 18), er de uavhengige resonansfrekvensene til transduseren henholdsvis 21,5, 23 og 24,5 kHz, Q=12 og Q=4 etter kombinasjonen. Selv om denne frekvensbåndskombinasjonsmetoden strengt tatt ikke er en bredbåndstransduser, er den fortsatt mye brukt innen undervannsakustikk, spesielt i akustiske systemer som støysimulering og akustiske lokkemidler. Enhetskombinasjonen realiserer ultrabredbånds-emisjonsegenskaper.

 

② Modal kobling bredbånds langsgående transduser

Frontdekselet til den langsgående transduseren antas vanligvis å vibrere på samme måte som et stempel i analysen av den endimensjonale modellen, det vil si at det ikke oppstår noen bøyningsvibrasjon. Når hornet på den utstrålende overflaten til transduseren er relativt bredt, må det ledsages av bøyningsvibrasjon, noe som er rimelig. Ved å bruke bøyningsvibrasjonsmodusen til frontdekselet for å effektivt koble det til den langsgående vibrasjonsmodusen, kan en bredbånds langsgående svinger utformes. Litteratur har studert koblingseffekten av bøyningsvibrasjon og langsgående vibrasjon av den kvadratiske utstrålende dekkplaten, og designet en bredbåndstransduser. I en annen litteratur er en vibrerende og bøyende skive innebygd i strålingsdekselet, og bøyeskiven er koblet med vibrasjonsmodusen til den langsgående transduseren, og bredbåndstransduseren er designet og utviklet som vist i figur 19a. Den piezoelektriske stabelen til den langsgående transduseren kan utformes i flere grupper. Som vist i figur 19b, er det den grunnleggende strukturen til transduseren som bruker dobbel eksitasjonsmodal kobling for å oppnå bredbåndsdrift. Butler er basert på strukturen til den doble eksitasjonstransduseren i lengderetningen. Dybdeutvikling, for eksempel bruk av magnetostriktiv og piezoelektrisk hybrid dobbel eksitasjon for å designe en bredbånds langsgående transduser, og frontdekselet for å lime inn et 1/4 bølgelengdetilpasningslag, og designe en tredje-ordens resonansmoduskobling ultrabredbånds langsgående transduser Enheten, som vist i frekvens 1 til 3, frekvens, figur 1 37 kHz.

③ Bredbånds langsgående transduser kombinert med væskehulrom

Den typiske utformingen av koblingen mellom den langsgående transduseren og væskehulen er Janus-Helmholtz-transduseren (vist i figur 20). Den langsgående transduseren tar i bruk en utstrålende struktur med dobbel ende, kalt Janus, med en sylindrisk hylse designet for å danne et Helmholtz-resonanshulrom mellom Janus' doble strålende hoder; den generelle resonanstransduseren for væskehulrom har et smalt arbeidsfrekvensbånd. I Janus fellesapplikasjon kan bredbåndsoverføring realiseres gjennom optimalisert design av modal kobling.

Gall designet to Janus-Helmholtz-svingere, 300Hz og 160Hz, og studerte i dybden effekten av å legge til et kompatibelt rør i Helmholtz-resonanshulrommet på bredbåndsdriftskarakteristikkene til transduseren.

⒊Teknisk innovasjon for å forbedre kraften til utsendt lyd

Den direkte måten å øke lydstyrken til en akustisk undervannstransduser på er å øke volumet på svingeren, øke antallet og danne en tettpakket matrise. Den mest effektive metoden er å bruke funksjonelle materialer med høy energitetthet. De foregående kapitlene har forklart bruken av funksjonelle materialer med høy energitetthet. Denne delen fokuserer på de tekniske nyvinningene i strukturen og prosessen til små volum høyeffektsvingere.

I beskrivelsen av fordelene og ulempene ved den lille størrelsen og høyeffektegenskapene til svingeren, brukes vanligvis volumverdien for å måle, nemlig

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Formel ⑴ definerer volumverdifaktoren for en bestemt type transduser, der: Wa er lydeffekten (W), V er volumet til transduseren (m3), f0 er resonansfrekvensen (Hz), Q er kvalitetsfaktoren, Volumverdifaktoren til enheten er nært knyttet til strukturen og funksjonelle materialer. Delany designet og utviklet en kompakt, buet skive-transduser (Bender), og analyserte og studerte systematisk arbeidsegenskapene til Benders lavfrekvente, liten størrelse og høyeffektsdrift.

 

 

Det finnes litteratur som designer den konkave strukturen type I (konkav løpstype) bøyespenningstransduseren til en mer kompakt kombinasjon, som gjør at flere transduserklynger i et begrenset volum kan maksimere volumforskyvning og oppnå store kraftkarakteristikk, som vist i figur 21, toppen av 6 type I bøyesensjonstransdusere er sammenstilt med en «seks-punkts»-klynge. flextensional transduser, som har egenskapene til kompakt struktur, lav frekvens, høy effekt og bredt frekvensbånd: fundamental resonansfrekvens Sendespenningsresponsen ved 1,15kHz er 127dB, rundstrålende, og sendespenningsresponsen fra 800Hz til 10kHz er større enn 120dB. FOMv-parameteren er ikke gitt i litteraturen, og den forventes å være ekvivalent med eller høyere enn den 'stjerneformede' flextensjonstransduseren.

Ovennevnte design og analyse for jakten på liten størrelse og høy effekt starter i utgangspunktet fra de elektriske og mekaniske grensene, og vurderer bare energitettheten til funksjonelle materialer og vibrasjonsgrensen til strukturen. Når transduseren krever lang puls eller kontinuerlig drift, vil varme- og varmespredningen til transduseren være det største problemet under høye strømforhold. På dette tidspunktet er den termiske grensen hovedfaktoren som begrenser den endelige kraften til transduseren. Den termiske grensen til transduseren er en av de viktige grunnleggende spørsmålene som er opptatt av ingeniørarbeid. Akkurat som prosessdetaljene til transduseren, er det ikke mange offentlig rapporterte forskningsartikler. Det finnes litteratur for å modellere og analysere de termiske problemene til lavfrekvente og høyeffekts transdusere, og diskutere de termiske ledningsproblemene til Janus-Helmholtz og Type IV flextensional transdusere. Når svingeren arbeider på grunt vann, spesielt lavfrekvent og høy kraftoverføring, vil økning av lydeffekten også begrenses av den akustiske grensen for kavitasjonsfaktoren. Under denne bakgrunnen er metoden for å øke kraften til en enkelt transduser ikke lenger effektiv. Basismatrisen vil også være begrenset, slik at det bare er én måte å danne en sparsom basematrise.

Derfor, når du designer lavfrekvente og høyeffektstransdusere, er det nødvendig å rasjonelt velge den strukturelle formen og drivfunksjonsmaterialene, ta hensyn til faktorer som elektrisk grense, mekanisk grense, termisk grense og akustisk grense, og foreta en total analyse og omfattende optimalisering. Det er et optimalt forhold mellom grenseeffekten og volumet til transduseren. Inngående forskning på dette vil være en av de tekniske retningene til lavfrekvente og høyeffekts transdusere i fremtiden.

 

⒋Teknologisk innovasjon for å øke motstanden mot hydrostatisk trykk

For tiden har det akademiske miljøet foreslått utviklingsideer som transparente hav og informatiserte hav. Målet er å la undervannsinformasjonsteknologi dekke alle hjørner av havet, inkludert polare områder og avgrunnsgrøfter. Derfor stiller de krav til bruk av akustiske undervannstransdusere i større dybde. Selv utfordre evnen til å jobbe i dype hav. Den hydrostatiske trykkmotstandskapasiteten til transduseren er nært knyttet til strukturen til transduseren, spesielt for lavfrekvente emisjonstransdusere med lav strukturell stivhet. Løsning av hydrostatisk trykkmotstandsstrukturteknologi har blitt et viktig tema i det nåværende transduserteknologifeltet. De nåværende effektive metodene og midlene for å løse arbeidsdybden inkluderer hovedsakelig væskefylling, kompatibel rørtilpasning væskefylling, naturlig strukturell støtte, høytrykks gassflaskekompensasjon, kollisjonsputekompensasjon, etc., ved arbeidsdybder over 1000m, er den eneste effektive tekniske metoden væskefyllingsteknologi, inkludert Den frie overløpstypen bruker direkte sjøvanns- eller fyllingsmedier for fylling av olje for å oppnå selvfyllende oljetrykk; innen 1000 m kan det trykkbestandige samsvarsrøret brukes i væskehulrommet samtidig for å forbedre overensstemmelsen til væskehulrommet; Innenfor 200m kan den naturlige støtten til strukturen motstå hydrostatisk trykk. Noen svingere med svært lav strukturell stivhet (som bevegelige spoletransdusere) kan bruke høytrykksluftsylindere for å gi trykkkompensasjon. Generelt, innenfor 100 m, kan kollisjonsputekompensasjon brukes. Kavitetsstrukturtransduseren introdusert ovenfor kan generelt utformes som en væskefylt arbeidsmodus for å oppnå dypvannsarbeid. I dette avsnittet er det gitt flere brukseksempler på oljefylt strukturdesign.

 

Kendigs forskningsarbeid publisert i 1965 , kombinert bruk av 4 PZT-4 piezoelektriske keramiske skivedrevne langsgående transdusere, fylt med silikonolje for å beskytte tomrommet som dannes mellom stålskallet (inkludert den lydoverførende gummiplaten) og transduseren Hulrommet er forbundet med det bakre væskekammeret. Den lydgjennomtrengelige gummien foran og det bakre gummivinduet er i kontakt med sjøvann for å oppnå intern og ekstern trykkbalanse. Arbeidsbåndbredden til transduseren er 30-50 kHz, og arbeidet innenfor det hydrostatiske trykkområdet på 0-6,9 MPa er eksperimentelt studert. Karakteristisk er denne trykkbalansemetoden fortsatt brukt i mange dypvanns sonararrayer. Figur 22b viser en toroidal transduser med fritt overløp med en oljefylt struktur. Den piezoelektriske keramiske ringen er hengt opp i en polyuretan-gummihylse, og innsiden er fylt med silikonolje for å oppnå trykkbalanse med omverdenen. Polyuretangummihylsen er ideell lydoverførende materiale, denne typen transduser har lignende arbeidsegenskaper som den direkte infusjonsbeleggformen av polyuretangummi. For PZT-4 rundt rør Φ 150 mm × Φ 140 mm × 50 mm, simuleringsanalyse og eksperimentstudie av polyuretan-gummi i frekvensområdet 5 ~ 10 kHz Materialet i hylsen er erstattet med titanlegering eller stål. Som et resultat reduserer titanlegeringen utslippsspenningsresponsen med ca. 6dB, og stålet reduserer emisjonsspenningsresponsen med ca. 12dB.

 

3. Konklusjon

Når vi ser på den hundreårige utviklingshistorien til transduserteknologi, fra fødselen av den første piezoelektriske transduseren til den kraftige utviklingen av moderne transduserteknologi, har teknologiske nyvinninger innen akustiske undervannstransdusere ofte dukket opp. Hovedmålene for innovasjon og utvikling av transduserteknologi inkluderer: å forenkle komplekse prosesser, bryte gjennom tekniske flaskehalser, omskrive tekniske grenser, forbedre omfattende teknisk ytelse, foreslå nye konsepter og nye mekanismer, generere og utvikle nye tekniske retninger, og utdype og perfeksjonere teorien om transduserdisipliner System og så videre. Denne artikkelen introduserer noen forskningstilfeller som gjenspeiler det innovative designet og det utsøkte håndverket til transduseren fra aspektene ved ny materialapplikasjon, ny transduserstruktur og teknologi, etc.