Nowe rozwiązania w zakresie ceramiki piezoelektrycznej stosowanej w przetwornikach sonarów podwodnych

Przetwornik jest ważną częścią sonaru. Z punktu widzenia historii hydroakustyki każdy etap rozwoju akustyki podwodnej jest nierozerwalnie związany z rozwojem technologii przetwornikowej. Ponieważ przetworniki hydroakustyczne odgrywają kluczową rolę w podwodnej inżynierii akustycznej, wiele krajów rozwiniętych poczyniło ogromne inwestycje w badania. Z historii rozwoju podwodnego sprzętu akustycznego, z początków I wojny światowej, przetwornik typu Langevin składający się z kryształy ceramiki piezoelektrycznej i masy metalowe. Wykorzystano Po wielu wymianach produktów, przetworniki zostały użyte. Wydajność została znacznie poprawiona. W ciągu ostatnich dwóch lub trzech dekad, ze względu na zapotrzebowanie wojskowe, szybki rozwój nauki i technologii, ciągły rozwój i stosowanie nowych materiałów przetworników oraz zastosowanie analizy elementów skończonych piezoelektrycznych w projektowaniu przetworników, badania nad przetwornikami. W oparciu o klasyczną teorię i metody analityczne pojawiło się wiele nowych koncepcji i metod. Podwodny przetwornik akustyczny czeka nowa runda wymiany produktu. Gigantyczny magnetostrykcyjny przetwornik rozcieńczony, wysokowydajny elektrostrykcyjny przetwornik piezoceramiczny, hydrofon wektorowy, piezoelektryczny przetwornik kompozytowy, hydrofon PVDF o niskiej częstotliwości o dużej powierzchni, hydrofon światłowodowy itp. Reprezentuje najnowsze osiągnięcia w badaniach nad przetwornikami. Z tego punktu widzenia w tym artykule omówiono najnowsze osiągnięcia w zakresie podwodnych przetworników sonarowych.

gigantyczny przetwornik magnetostrykcyjny

W latach 70. AE Clark odkrył, że stopy metali ziem rzadkich mają właściwości supermagnetostrykcyjne. Te maksymalne odkształcenia spowodowane efektami magnetostrykcyjnymi są od 6 do 20 razy większe niż w przypadku piezoelektryczny przetwornik rurowy stosowany w podwodnych przetwornikach akustycznych, a gęstość energii jest około 10 do 20 razy większa, a prędkość dźwięku wynosi tylko 2/3 do 3/4 ceramiki piezoelektrycznej, i podano porównanie wydajności materiału ziem rzadkich Terfenol2D z konwencjonalnym materiałem piezoelektrycznym PZT-8 i niklem. Dlatego w tych samych warunkach objętościowych przetwornik hydroakustyczny Terfenol2D ma częstotliwość rezonansową o 2/3 do 3/4 niższą niż częstotliwość rezonansowa piezoelektrycznego ceramicznego przetwornika hydroakustycznego. Ponieważ przetwornik wykonany z gigantycznego materiału magnetostrykcyjnego zawierającego pierwiastki ziem rzadkich, Terfenol2D, charakteryzuje się dużą mocą transmisji, małą objętością, niewielką wagą i środowiskiem o wysokiej temperaturze, uzyskano go podczas opracowywania podwodnego przetwornika akustycznego o niskiej częstotliwości i bardzo niskiej częstotliwości o dużej mocy. Odpowiednia uwaga i zastosowanie. W latach 80. kraje rozwinięte opracowały różne przetworniki ziem rzadkich i zastosowały je w wojsku. Szwecja z sukcesem opracowała zakrzywione przetworniki ziem rzadkich o mocy akustycznej 151 kW do trałowania min. Chiny rozpoczęły badania w latach 90. XX wieku, ale poczyniły one szybkie postępy. Z powodzeniem opracowali przetworniki zginane na bazie pierwiastków ziem rzadkich, przetworniki inkrustowane pierwiastkami ziem rzadkich i podłużne przetworniki z prętów kompozytowych na pierwiastki ziem rzadkich itp. Głównymi cechami materiałów Terfenol2D są (1) kruche materiały i trudna obróbka. (2) Ponieważ materiały ziem rzadkich są nie tylko materiałem przewodzącym magnetycznie, ale także materiałem przewodzącym, gdy zmienia się zewnętrzne pole magnetyczne, włącza się przetwornik ziem rzadkich. Wewnątrz będą generowane straty w postaci prądu wirowego, a straty będą duże przy wysokich częstotliwościach. W porównaniu z piezoelektrycznymi przetwornikami ceramicznymi, gigantyczne przetworniki magnetostrykcyjne muszą rozwiązywać problemy, takie jak polaryzacja magnetyczna, naprężenie wstępne, utrata prądów wirowych i kompensacja głębokiej wody. Obecnie istnieje kilka rozwiązań tych niedociągnięć. W celu rozwiązania problemu kruchego materiału i dużych strat prądu wirowego bada się gigantyczny materiał magnetostrykcyjny GMPC, sproszkowany Terfenol 2D, miesza materiały wiążące, a następnie prasowa i formuje za pomocą metalurgii proszków. Przy projektowaniu gigantycznych przetworników magnetostrykcyjnych korzystnym rozwiązaniem jest pełne wykorzystanie jego dużych odkształceń i dużej gęstości energii jako źródła wzbudzenia przetwornika zginanego. Można go używać do różnych konwersji o niskiej częstotliwości, małej objętości i dużej mocy. Właściwy dobór polaryzacji magnetycznej, naprężenia wstępnego i technik aplikacji gigantycznych materiałów magnetostrykcyjnych pierwiastków ziem rzadkich mają ogromny wpływ na wydajność przetwornika. Ogólnie rzecz biorąc, odchylenie magnetyczne wybiera się na 1/3 wartości nasycenia magnetostrykcyjnego, a naprężenie wstępne wybiera się w zakresie od 7 MPa do 10 MPa, aby uzyskać dużą moc wyjściową.

Hydrofon światłowodowy

Technologia hydrofonów światłowodowych rozpoczęła się w laboratorium Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych pod koniec lat 70. XX wieku. Hydrofon światłowodowy ma zalety wysokiej czułości, silnych zakłóceń antyelektromagnetycznych, dużego zakresu dynamiki, małych rozmiarów i lekkości Półkula piezoelektryczna Pzt4 . Dlatego już od chwili narodzin technologia ta była wysoko ceniona i uznawana za jedną z kluczowych technologii obronności państwa. Po ponad 20 latach rozwoju technologia hydrofonów światłowodowych poczyniła ogromne postępy w krajach rozwiniętych i wprowadzono różne hydrofony światłowodowe. Ukończyli całkowicie światłowodowy hydrofonowy system monitorowania dźwięku łodzi podwodnej, układ linii holowanych, układ konforemny łodzi podwodnej i tak dalej. W szczególności pomyślny rozwój laserów na ciele stałym otworzył szeroki świat zastosowań włókien optycznych. Dobry start ma także technologia hydrofonów światłowodowych. Wydajność prototypu jednostki była bliska lub osiągnęła poziom międzynarodowy, przeprowadzono także badania nad technologią światłowodowego układu hydrofonowego. Penetracja badań sonarowych do technologii laserowej niewątpliwie otworzy nową kartę w badaniach sonarowych. Wszystkie rodzaje hydrofonów światłowodowych są projektowane zgodnie z wpływem fali dźwiękowej w celu modulacji fazy lub modulacji natężenia światła światłowodowego. Światłowód dzieli się na światłowód wielomodowy i światłowód jednomodowy. Hydrofon światłowodowy jest w większości wykonany ze światłowodu jednomodowego. Typ interferometru i typ modulacji natężenia światła. Pod wpływem ciśnienia akustycznego w rdzeniu światłowodu powstają naprężenia, które powodują zmiany współczynnika załamania światła i długości. Te dwie zmiany powodują modulację fazową lasera propagującego się w światłowodzie. Hydrofon światłowodowy typu interferometr ma wykorzystywać włókno, na które wpływa pole dźwiękowe, jako włókno czułe, a drugie jest oddzielone od pola dźwiękowego. Jako włókno odniesienia służy włókno o stałej różnicy faz, które umieszcza się na ramionach interferometru i przetwornika fotoelektrycznego. Po syntezie na powierzchni odbieranego fotopowielacza powstaje interferencja i rejestrowana jest informacja akustyczna. Ponieważ długość fali światła jest bardzo mała, niewielkie odkształcenie sygnału spowodowane ciśnieniem akustycznym nie jest małą zmianą w stosunku do długości fali światła, a tym samym powoduje dużą zmianę w wyjściowym natężeniu światła, dlatego czułość hydrofonu typu interferencyjnego światłowodu jest szczególnie wysoka. Parametry techniczne osiągane przez hydrofon światłowodowy interferometru światłowodowego są następujące: czułość na napięcie odbiorcze: - 140dB (0dB = 1V/μPa) czułość fazowa: 2,56 × 10 - 8 rad/μPa. Pasmo przenoszenia: 16 Hz ~ 10 kHz (undulacja ≤ 3dB) kierunkowość: dookólna (undulacja ≤ 2,5 dB) Wśród hydrofony wszystkich typów intensywności, hydrofon typu kratowego jest nowym, sprawdzonym i skutecznym podwodnym detektorem akustycznym. 

Sygnał wyjściowy wyraża się jako bezpośrednią modulację natężenia padającego pola dźwiękowego. Jego główną zasadą działania jest powodowanie względnego przemieszczenia dwóch siatek pomiędzy stałym źródłem światła a odbiornikiem światła pod wpływem pola dźwiękowego, a natężenie odbioru jest funkcją względnego przemieszczenia dwóch siatek, dzięki czemu pole dźwiękowe może zostać przekształcone. Do modulacji intensywności. Sam hydrofon siatkowy składa się zasadniczo z dwóch ustawionych osiowo falowodów optycznych (lub włókien) z małą szczeliną, a otwory w szczelinie kontrolujące transmitancję zapewniają wymaganą modulację natężenia. Hydrofon zapewnia wszystkie zalety urządzenia do bezpośredniej modulacji natężenia i jest niedrogi. Metodą kratową można uzyskać stosunkowo dużą czułość, a urządzenie jest proste w produkcji, nie wymaga zaawansowanej technologii optycznej, ma zakres dynamiczny do 160 dB i ma zdolność wykrywania przemieszczeń spowodowanych dźwiękiem o wartości mniejszej niż 0,01 A. Dodatkowo, dzięki elastycznemu doborowi gęstości siatki, przesunięcia, mocy optycznej i struktury hydrofonu, istnieje większa elastyczność w projektowaniu czułości, zakresu dynamiki, rozmiaru i zakresu częstotliwości roboczej. W przypadku hydrofonów światłowodowych szum śrutowy powodowany wahaniami prądu na fotodiodzie jest głównym źródłem szumu i często określa się go jako teoretyczną granicę szumu. Ponadto ustawienie wiązki, izolacja wiązki odniesienia i izolacja drgań źródła mają bezpośredni wpływ na wydajność. Największą wadą hydrofonów światłowodowych jest duży wpływ temperatury.