Nowy typ podwodnego przetwornika akustycznego i nowa technologia przetwornika

Fale akustyczne to jedyny nośnik, jakim dysponuje człowiek, mogący przesyłać informacje i energię na duże odległości w rozległym oceanie. Na lądzie ludzie wykorzystują fale elektromagnetyczne do opracowywania radarów. Podobnie ludzie wykorzystują fale akustyczne jako nośniki informacji do opracowywania podwodnych celów do wykrywania oraz sprzęt elektroniczny do pozycjonowania, identyfikacji i komunikacji - sonar. Stojąc twarzą w twarz z rozległym oceanem, sonar wypełnia ważną misję, która dociera do wszystkich zakątków rozległego oceanu, identyfikuje w nim różne rzeczy, które mówią ludziom prawdziwe oblicze podwodnego świata i pomagają ludziom w odkrywaniu tajemnic oceanu, aby stać się podwodną nawigacją komunikacyjną, rybołówstwem wodnym, rozwojem zasobów morskich, geologią morza i badaniem geomorfologii. Powodem, dla którego fale dźwiękowe stają się najlepszym podwodnym nośnikiem informacji, jest to, że w mediach wodnych fale dźwiękowe mają najmniejszy współczynnik tłumienia w porównaniu z innymi polami fizycznymi jak fale elektromagnetyczne i mogą być przesyłane na duże odległości. Ta zaleta sprawia, że ​​sonar już od początku wykorzystuje fale ultradźwiękowe do obserwacji pod wodą. Cel zaczyna się i rozwija. Obecnie pasmo częstotliwości roboczej sonaru zostało rozszerzone do szerokiego zakresu. Aktywny sonar został rozszerzony z dziesiątek Hz do dziesiątek MHz, a dolna część sonaru pasywnego została rozszerzona do zakresu infradźwięków. W tak szerokim paśmie częstotliwości, zgodnie z przepisami, ważnym urządzeniem stymulującym i generującym fale dźwiękowe w postaci sygnałów oraz wykrywającym i odbierającym fale dźwiękowe w wodzie bez zniekształceń nazywa się przetwornik sonarowy lub układ sonarowy. Urządzenia te stanowią czołowe wyposażenie systemu sonaru, a także „okno” systemu sonaru do interakcji z ośrodkiem wodnym i wymiany informacji, a także są „realizatorami” funkcji systemu sonaru w przypadku przetworników sonaru lub układów sonaru. Często określa się je jako „oczy i uszy” systemu sonaru. Wraz z ciągłym poszerzaniem zakresu zastosowań technologii sonarowej i stale rosnącym zapotrzebowaniem na konfrontację militarną i walkę, nowe zasady, nowe technologie i nowy sprzęt sonarowy pojawiały się jedna po drugiej. Wymagania rozwojowe nowej technologii sonarowej spowodowały szybki rozwój technologii przetworników i same przełomy technologiczne w dziedzinie przetworników oraz rozwój nowych materiałów, nowych mechanizmów i nowych konstrukcji podwodne przetworniki akustyczne również sprawiły, że system sonaru stał się „odświeżający”. Poniżej znajduje się krótki przegląd stanu rozwoju technologii przetworników w ostatnich latach w oparciu o informacje, którymi dysponuje autor i ograniczony poziom zrozumienia. Obejmuje głównie nowy materiał przetwornika hydroakustycznego, nową konstrukcję i nowy mechanizm przetwornika hydroakustycznego, nowy typ hydrofonu, technologię przetwornika szerokopasmowego i tak dalej.

 

2 Nowy materiałowy podwodny przetwornik akustyczny

 

Przetwornik to urządzenie realizujące konwersję energii w systemie sonarowym. W przetworniku znajduje się specjalny materiał, który ma zdolność przekształcania energii. Materiał ten nazywany jest materiałem funkcjonalnym. Materiały funkcjonalne stosowane do produkcji przetworników obejmują głównie materiały piezoelektryczne (takie jak kryształy piezoelektryczne, ceramika piezoelektryczna, polimery piezoelektryczne itp.) i materiały magnetostrykcyjne (takie jak nikiel, kobalt, stopy niklu i żelaza, ferryty, stopy żelaza ziem rzadkich itp.) itp.), wykorzystują one efekt piezoelektryczny i efekt magnetostrykcyjny, aby zrealizować wzajemną konwersję energii pola elektrycznego lub energii pola magnetycznego na energię mechaniczną. Przełom w technologii przetworników jest zasadniczo zdeterminowany przełomem technologicznym materiałów funkcjonalnych. W ostatnich latach różne osiągnięcia techniczne w dziedzinie materiałów funkcjonalnych zapoczątkowały także rozwój technologii przetworników. Lekarz odkrył, że lantanowce ziem rzadkich mają niesamowite właściwości magnetostrykcyjne, ale nie były one stosowane w praktyce, ponieważ temperatura Curie jest niższa niż temperatura pokojowa. Później odkryto, że stopy binarne, trójskładnikowe i czwartorzędowe składające się z pierwiastków ziem rzadkich i żelaza mają również ogromne właściwości magnetostrykcyjne w temperaturze pokojowej. Najbardziej reprezentatywnym stopem metali ziem rzadkich jest Terfenol-D (skład to Tb0,27Dy0,73Fe1). 95) stał się nowym typem materiału funkcjonalnego, który od lat 80-tych cieszy się dużym zainteresowaniem. Ferroelektryczny monokrystaliczny monokryształ niobianu ołowiu, magnezu i ołowiu (PMN-PT) i niobianu ołowiu, cynku i tytanianu ołowiu (określany jako PZN-PT) to nowe typy kompozytowych materiałów krystalicznych perowskitu, a także wyłania się klasa nowych materiałów funkcjonalnych o świetnych perspektywach zastosowań. Wcześniej nikiel był powszechnie stosowany jako materiał na przetworniki. W 1917 roku francuski naukowiec Langevin wykonał przetwornik sonaru z kryształu kwarcu, ustanawiając precedens dla zastosowania materiałów piezoelektrycznych w sonarze. W latach czterdziestych XX wieku z powodzeniem opracowano ceramikę BaTiO3 pzt o silnych właściwościach piezoelektrycznych, która była szeroko stosowana w systemach sonarowych. Ceramika piezoelektryczna PZT opracowana w latach 50-tych XX wieku charakteryzuje się szerokim zakresem temperatur pracy i doskonałymi właściwościami elektromechanicznymi. Wydajność konwersji rekompensuje niedobory ceramiki Ba TiO3 i kiedyś stała się materiałem z wyboru do podwodnych przetworników akustycznych. Wśród nich piezoelektrycznym materiałem ceramicznym o dużej gęstości energii jest PZT-8. Proste porównanie powyższych materiałów: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT mogą wytworzyć odkształcenie około 5 razy większe niż PZT-8 i 50 razy większe niż niklu; stałe piezoelektryczne PMN-PT i PZN-PT wynoszą d33. Jest 6-8 razy większa niż materiału PZT-8. Wykorzystanie materiałów pzt do opracowania nowych podwodnych przetworników akustycznych jest obecnie jednym z najgorętszych tematów.

 

Materiał magnetostrykcyjny Cylindryczny podwodny przetwornik akustyczny jest rzadki, a ziemski gigantyczny materiał magnetostrykcyjny wykorzystuje efekt magnetostrykcyjny w celu realizacji wzajemnej konwersji energii pola magnetycznego na energię mechaniczną i jest używany głównie do opracowywania podwodnych przetworników emisji akustycznej o niskiej częstotliwości i dużej mocy. Jest to rodzaj „złożonej” struktury przetwornika – wysokotemperaturowego, superprzewodzącego magnetostrykcyjnego przetwornika hydroakustycznego. Z punktu widzenia konstrukcji przetwornika jego konstrukcja jest bardzo prosta. Jest to zwykły przetwornik wzdłużny z dwoma grzejnikami. Tak zwany „kompleks” odnosi się tutaj do jego bogatej konotacji fizycznej. Siła magnetostrykcyjna materiałów stopowych metali ziem rzadkich w niskiej temperaturze jest większa niż w temperaturze pokojowej. Na przykład maksymalne odkształcenie magnetostrykcyjne Tb0.6Dy0.4 w temperaturze 77K wynosi 0,65%, podczas gdy Terfenol-D ma temperaturę pokojową. Największe odkształcenie magnetostrykcyjne wynosi 0,25%. Opracowano magnetostrykcyjny przetwornik hydroakustyczny z materiału Tb0.6Dy0.4 o zakresie temperatur 50-60K: materiał w kształcie pręta ze stopu metali ziem rzadkich umieszcza się w pomieszczeniu klimatyzacyjnym, a wieża chłodnicza lodówki jest cyklicznie chłodzona, a pomieszczenie klimatyzacyjne zapewnia cewka z materiału nadprzewodzącego. Pole magnetyczne polaryzacji i pole magnetyczne wzbudzenia wzbudzają pręt magnetostrykcyjny, wytwarzając wibracje rozciągające, które są przenoszone na powierzchnię promieniującą typu tłokowego przez mechaniczny element przejściowy, a powierzchnia promieniująca typu tłokowego popycha ośrodek wodny w celu wytworzenia promieniowania fali ciśnienia. W konstrukcji zaprojektowano komorę próżniową izolującą przewodzenie ciepła. Zewnętrzna ściana komory próżniowej to odporna na ciśnienie pokrywa w kształcie kopuły, która wytrzymuje ciśnienie 10 atmosfer. Główne parametry techniczne to: częstotliwość rezonansowa 430 Hz, maksymalny poziom źródła dźwięku 181,4db, sprawność ok. 25%. Proces produkcji tego rodzaju przetwornika jest skomplikowany. W ostatnich latach ludzie nadal chętnie korzystają z materiału terfenol-D, który działa w temperaturze pokojowej, rezygnując z niektórych naprężeń magnetostrykcyjnych i zastępując go nową strukturą, aby uzyskać doskonałe parametry promieniowania. Poniżej znajduje się krótkie wprowadzenie do postępu badań kilku strukturalnych materiałów magnetostrykcyjnych w podwodnych przetwornikach akustycznych. Przetwornik wzdłużny ma prostą konstrukcję. Pręt magnetostrykcyjny łączy się z przednią głowicą promieniującą i masą ogonową, tworząc podobny jednowymiarowy system wibracji. Przednia głowica promieniująca jest zwykle wykonana z lekkich materiałów, a masa tylna jest zwykle wykonana z gęstych materiałów, aby uzyskać powierzchnię promieniującą. Wyjście większe przemieszczenie wibracji. Wprowadzono dwa przetworniki podłużne opracowane z materiałów Terfenol-D. Jednym z nich jest ogólny przetwornik wzdłużny o częstotliwości rezonansowej 1200 Hz, mocy akustycznej 3 kW i wadze przetwornika 60 kg; drugi to pręt ziem rzadkich na obu końcach. Zaprojektowany jako dwustronny promieniujący przetwornik wzdłużny w kształcie rogu, częstotliwość rezonansowa wynosi 400 Hz, moc akustyczna 1,5 kW, a waga przetwornika do 100 kg. Przetwornik w kształcie pierścienia: regularny wielokąt otoczony szeregiem prętów ziem rzadkich oraz szereg okrągłych powierzchni łukowych wzbudzanych przez element przejściowy w celu wytworzenia wibracji promieniowych w celu uzyskania promieniowania akustycznego o dużej mocy. Opracowano serię przetworników toroidalnych o niskiej częstotliwości i dużej mocy na pierwiastki ziem rzadkich, w tym przetworniki o częstotliwości rezonansowej 200 Hz (średnica wewnętrzna 0,56 m, średnica zewnętrzna 0,94 m, wysokość 0,37 m, poziom źródła dźwięku 193 dB, waga 410 kg) oraz przetwornik o częstotliwości rezonansowej 30 Hz (średnica 2 m, wysokość 1,1 m, poziom źródła dźwięku 195dB, waga 5t). Przetwornik flextensional to rodzaj przetwornika, który wykorzystuje drgania podłużne piezoelektrycznego stosu ceramicznego lub pręta magnetostrykcyjnego do wzbudzania powierzchni promieniowania powłoki (lub beczki) z efektem wzmocnienia amplitudy w przypadku drgań zginających. Wymieniono kilka powszechnie używanych przetworników. Rodzaje przetworników zginania, spośród których I, II i III mają te same właściwości. Podłużny pręt wibracyjny wzbudza obrotowo symetryczną zakrzywioną skorupę. Powłoka może być konstrukcją ciągłą lub konstrukcją pociętą na grupę belek. Purcell wykorzystał materiał Terfenol-D do opracowania przetwornika naprężenia zginającego z wklęsłą belką beczkową (typ III) o częstotliwości rezonansowej 1300 Hz, poziomie źródła dźwięku 188,7 dB i szerokości pasma 600 Hz. Ze względu na zastosowanie otwartego obwodu magnetycznego z jednym prętem, częstotliwość rezonansowa wynosi. Maksymalna sprawność elektroakustyczna prądu przemiennego wynosi tylko 7%, a waga przetwornika to 2,7 kg. Przetworniki zginania typu „ryba warga” mają wspólne cechy. Przetwornik jest wzbudzany przez podłużny pręt wibracyjny, który powoduje ugięcie wypukłej lub wklęsłej eliptycznej powłoki w celu uzyskania promieniowania o dużej mocy. Przetwornik zginania rybiej wargi wykorzystuje efekt wzmocnienia amplitudy. Efekt ważenia powierzchnią zwiększa moc promieniowania dźwiękowego. Według doniesień o tym nowym typie podwodnego przetwornika akustycznego o niskiej częstotliwości i dużej mocy, w tym o częstotliwości rezonansowej 210 Hz, 450 Hz, 800 Hz i 1200 Hz, wyniki badań tego nowego typu przetwornika są obecnie stosowane w aktywnych układach sonarów o niskiej częstotliwości, systemach akustycznych, takich jak docelowe źródła dźwięku i symulatory hałasu.

 

Relaksacyjny materiał ferroelektryczny podwodny przetwornik akustyczny

 

Relaksacyjne materiały ferroelektryczne są rodzajem potencjalnych materiałów funkcjonalnych, które można podzielić na elektrostrykcyjne typy ceramiczne i relaksujące ferroelektryczne typy monokryształów. Proces wytwarzania relaksorowych monokryształów ferroelektrycznych jest znacznie bardziej skomplikowany niż w przypadku elektrostrykcyjnych materiałów ceramicznych. Naukowcy wykorzystali te materiały do ​​wykonania wielu typów przetworników, takich jak przetworniki zginane, przetworniki wzdłużne i tak dalej. Technologia wytwarzania przetworników z tego typu materiału jest bardziej skomplikowana i konieczne jest dodanie pola elektrycznego polaryzacji prądu stałego, zastosowanie naprężenia wstępnego i kontrolowanie temperatury procesu. Dzięki zastosowaniu ceramiki elektrostrykcyjnej PMN-PT-BT (niobian ołowiu, magnezu, tytanianu ołowiu i tytanianu baru) opracowano przetwornik zginania typu IV. Wyniki badań pokazują, że opracowany przetwornik nie wykorzystał maksymalnie potencjału materiału. Prace te nadal będą jednym z najgorętszych punktów, które należy zbadać w dziedzinie podwodnych przetworników akustycznych przez pewien okres czasu. Wykorzystanie ferroelektrycznego materiału monokrystalicznego relaksacyjnego PMN-PT do badania 64 kanałów sondy ultradźwiękowej 3,5 MHz, stosowanej w medycznym sprzęcie do ultrasonografii B i kolorowego obrazowania ultradźwiękowego Dopplera, co sugeruje, że ferroelektryczny materiał relaksacyjny monokrystaliczny w sonarze obrazowym o wysokiej częstotliwości.

 

Piezoelektryczna folia polimerowa sferyczny podwodny przetwornik akustyczny można przekształcić w elastyczną membranę, a przetwornik można zaprojektować w dowolnym kształcie podczas wykonywania przetwornika, a impedancja akustyczna materiału jest niska i łatwo jest osiągnąć impedancję za pomocą wody i innych płynnych mediów i tkanek biologicznych. Dopasowane, często używane do produkcji standardowych hydrofonów wysokiej częstotliwości, przetworników wysokiej częstotliwości, medycznych przetworników ultradźwiękowych, układów konformalnych i zróżnicowanych kompozytowych układów przetworników. Powszechnie stosowanym polimerem piezoelektrycznym do wytwarzania przetworników jest głównie polifluorek winylidenu (PVDF). Obecnie bardziej przyciągająca wzrok piezoelektryczna folia polimerowa EMFi (skrót od electromechanicfil) jest rodzajem elastycznej folii z pianki polipropylenowej, której stała piezoelektryczna jest około 10 razy większa niż w przypadku PVDF, który może być używany do wytwarzania przetworników o wysokiej czułości. Struktura cienkowarstwowego przetwornika EMFi ma średnicę powierzchni odbiorczej 35 mm, a czułość odbiorcza przetwornika jest większa niż -190 dB (wartość odniesienia to 1 V/μPa). Ten rodzaj przetwornika może być również używany w powietrzu do odbierania lub emitowania fal dźwiękowych.

 

Wprowadzenie nowej konstrukcji podwodnego przetwornika akustycznego i różnych mechanizmów transdukcyjnych. W przetworniku ważne są materiały funkcjonalne, ale musi je spełniać odpowiednia konstrukcja. Dlatego konstrukcja konstrukcyjna przetwornika wydaje się być szczególnie ważna w rozwoju technologii przetworników. ważny. W zależności od różnych obszarów zastosowań i różnych wymagań technicznych lub zgodnie z charakterystyką różnych mechanizmów transdukcji i materiałów funkcjonalnych, pojawiły się jeden po drugim różne typy przetworników, z których wiele łączy wielodyscyplinarne technologie, aby wspólnie odkrywać nowe możliwości. Trudności techniczne w celu spełnienia pewnych specjalnych wymagań technicznych. Typowym przykładem jest wysokotemperaturowy nadprzewodzący magnetostrykcyjny przetwornik hydroakustyczny. W powyższej treści tego artykułu i typach przetworników, które zostaną wprowadzone w dalszej części, wiele z nich dotyczy także nowych konstrukcji i nowych mechanizmów podwodnych przetworników akustycznych. Aby się nie powtarzać, w tej sekcji przytoczono jedynie dwa inne przykłady projektów nowych konstrukcji.

 

Przetwornik typu cymbałowego (cymbalny) jest rodzajem przetwornika o nowej konstrukcji, podobnego do przetwornika flextensional. Każdy przetwornik typu talerzowego składa się z pary piezoelektrycznych ceramicznych krążków PZT i jednego metalowego kapturka, który jest ze sobą połączony. Piezoelektryczny dysk ceramiczny PZT przykłada napięcie przemienne w celu wygenerowania wibracji promieniowych w celu wzbudzenia metalowej nasadki w celu wywołania wibracji zginających, a podniesiona metalowa nasadka przetwornika wytwarza naprzemienne wibracje o charakterze „rozszerzania-skurczu”. Fale dźwiękowe promieniowania. Kiedy ta sama zmienna fala ciśnienia oddziałuje na metalową nasadkę, ciśnienie zostanie przekazane na piezoelektryczny dysk ceramiczny PZT, a napięcie zmienne jest wyprowadzane na dwa bieguny dysku ceramicznego, który służy jako przetwornik odbiorczy. Częstotliwość rezonansowa przetwornika talerzowego w wodzie wynosi 16,1 kHz, a odpowiedź napięciowa emisji wynosi 130 dB (wartość odniesienia to 1 μPa/V w odległości 1 m). Na rysunku 5 pokazano także zdjęcie 9-elementowej matrycy złożonej z tego typu przetwornika. . W przetworniku piezoelektrycznym niskiej częstotliwości typu sprężyna śrubowa, ceramika piezoelektryczna jest przetwarzana w kształt sprężyny śrubowej (jak pokazano na rysunku 6),piezoelektryczny przetwornik ceramiczny polaryzuje się w kierunku stycznym, a następnie konstruuje parę elektrod wzbudzenia. Sekcja neutralna bez elektrod pośrodku jest oddzielona, ​​tworząc parę elektrod z pierścieniem zewnętrznym 1 i parę elektrod z pierścieniem wewnętrznym 2 (patrz powiększony schemat małego fragmentu na ryc. 6). W ten sposób do pary elektrod przykładane jest napięcie wzbudzenia V, część ceramiki piezoelektrycznej kontrolowana przez parę elektrod z pierścieniem zewnętrznym i parę elektrod z pierścieniem wewnętrznym będzie wytwarzać przeciwne wibracje (rozciąganie lub kurczenie), a ruch rozszerzania i kurczenia się układu sprężyn będzie powodował, że powierzchnia robocza tłoka wibrowała energię dźwiękową. Ze względu na małą sztywność tej konstrukcji posiada on niską częstotliwość rezonansową i może być stosowany jako przetwornik nadawczy niskich częstotliwości. Gdy jest używany jako odbiornik, ma również wysoką czułość w pasmach niskich częstotliwości. Wychodząc z równania piezoelektrycznego uzyskano zależność konwersji elektromechanicznej tego typu przetwornika i przeprowadzono prace badawcze.

 

Wprowadzenie do różnych mechanizmów konwersji energii w podwodnych przetwornikach akustycznych Z punktu widzenia konwersji energii, przetworniki można głównie podzielić na przetworniki piezoelektryczne, które wykorzystują efekt piezoelektryczny do konwersji energii oraz magnetyczne, które wykorzystują efekt magnetostrykcyjny do konwersji energii. Przetworniki chowane, przetworniki objęte powyższą treścią, należą do tych dwóch typów.