Postęp badań i możliwości rozwoju technologii podwodnych przetworników akustycznych

Fale akustyczne uważane są za jedyny nośnik informacji, który może przemieszczać się w oceanie na duże odległości. Badania morskie, rozwój zasobów i morskie zmagania militarne są nierozerwalnie związane z podwodną technologią akustyczną. Rozwój technologii hydroakustycznej wymaga wsparcia różnych typów przetworników hydroakustycznych, a misją przetworników hydroakustycznych jest przesyłanie i odbieranie fal dźwiękowych pod wodą, dlatego przetworniki hydroakustyczne nazywane są „oczami i uszami sprzętu hydroakustycznego. Rozwój przetworników hydroakustycznych obejmuje głównie zastosowanie nowych materiałów, przyjęcie nowych procesów oraz projektowanie nowych konstrukcji w celu osiągnięcia poprawy i udoskonalenia kompleksowych parametrów technicznych przetwornika. Pilnym zapotrzebowaniem w dziedzinie technologii hydroakustycznej jest bezpośredni rozwój hydroakustycznych przetworników mocy. W artykule omówiono wyniki krajowych badań nad podwodnymi przetwornikami akustycznymi z ostatnich 20 lat, obejmujące głównie nowe osiągnięcia w zakresie przetworników niskiej częstotliwości, przetworników szerokopasmowych wysokiej częstotliwości, przetworników głębinowych i hydrofonów wektorowych. Na podstawie analizy i podsumowania, w połączeniu ze strategią i sytuacją rozwoju technologii morskiej w moim kraju, krótko omówiono wyzwania i możliwości rozwojowe stojące przed nimi. obecna technologia podwodnych przetworników akustycznych.

 

The podwodny przetwornik akustyczny to rodzaj czujnika, który realizuje konwersję dźwięku i innych form energii lub informacji w ośrodku wodnym; podwodny przetwornik akustyczny jest podstawowym wyposażeniem systemu sonarowego i stanowi także interakcję pomiędzy systemem sonarowym a ośrodkiem wodnym w celu wymiany informacji. window”. Dziedzina badań i rozwoju technologii podwodnych przetworników akustycznych polega na integracji wielu dyscyplin, a do dyscyplin ściśle z nimi powiązanych zaliczają się głównie: fizyka, materiałoznawstwo, matematyka, mechanika, elektronika, chemia, mechanika itp., zatem rozwój podwodnych przetworników akustycznych jest ściśle powiązany z osiągnięciami innych podstawowych dyscyplin, a jednocześnie jest ograniczony przez rozwój różnych dyscyplin pokrewnych. Sądząc po kilkudziesięciu latach historii rozwoju przetworników hydroakustycznych w moim kraju, Największą motywacją do rozwoju są wymagania aplikacyjne w dziedzinie technologii hydroakustycznej, jednak do końca XX wieku rozwój technologii przetworników hydroakustycznych w moim kraju nie miał charakteru całościowego i systematycznego.

 

1.1 Postęp badań nad przetwornikami niskich częstotliwości

W odpowiedzi na pilne potrzeby transmisji informacji podwodnej na bardzo duże odległości oraz rozwój ultrawykrywalnych metod wykrywania łodzi podwodnych, przetworniki nadawcze niskiej częstotliwości stały się od XXI wieku jednym z najbardziej poszukiwanych punktów w dziedzinie podwodnych przetworników akustycznych. Pasmo częstotliwości roboczej zagranicznego sonaru do wykrywania i komunikacji o bardzo dużym zasięgu zostało zmniejszone do około 100 Hz. Przetworniki niskiej częstotliwości wiążą się z wieloma problemami teoretycznymi i technicznymi, które obecnie nie zostały dobrze rozwiązane, a aspekt ten nadal będzie głównym przedmiotem badań i przedmiotem uwagi w przyszłym rozwoju. W tej części dokonano selekcji prac badawczych dotyczących przetworników drgań zginających o niskiej częstotliwości i przetworników naprężeń zginających oraz podsumowano nowe osiągnięcia technologiczne.

 

1.1.1 Przetwornik drgań zginających o niskiej częstotliwości

Pierwszym problemem technicznym, przed jakim staje rozwój podwodnych przetworników niskiej częstotliwości, jest rozmiar geometryczny. Ogólnie rzecz biorąc, częstotliwość robocza przetworników rezonansowych jest odwrotnie proporcjonalna do rozmiaru geometrycznego. Oznacza to, że im niższa częstotliwość przetwornika, tym większy będzie rozmiar geometryczny. Wibracje mogą skutecznie zmniejszyć rozmiar geometryczny przetworników niskiej częstotliwości. Nowe konstrukcje przetworników drgań zginanych o niskiej częstotliwości w Chinach, które pojawiły się w ciągu ostatnich 20 lat, obejmują głównie przetworniki z zakrzywioną wiązką i przetworniki z zakrzywionym dyskiem.

 

(1) Przetwornik belki zginanej. Zaprojektuj cylindryczny przetwornik szerokopasmowy z belką wspornikową (rysunek 1a). Konstrukcja konstrukcji łączy w sobie cechy niskiej częstotliwości modalnej drgań zginających oraz metodę wielomodalnego sprzężenia drgań w celu poszerzenia pasma częstotliwości. Chai Yong i in. Zaproponowano przetwornik pierścieniowo-rurowy (rys. 1b). Dodając zakrzywioną wiązkę do inkrustowanego przetwornika w kształcie pierścienia, tworząc konstrukcję łączącą rurę-belkę, zwiększa się efektywny tryb pracy. Użyj sprzężenia wielomodowego, aby uzyskać charakterystykę roboczą o niskiej częstotliwości i szerokim paśmie. Przyjęto konstrukcję przelewową, a jej odporność na ciśnienie hydrostatyczne została sprawdzona w rzeczywistym zastosowaniu standardu dotyczącego zanurzeń głębinowych na głębokość 3 000 m. Xu i in. zaproponował dwa schematy projektowania dla cylindrycznych przetworników niskiej częstotliwości (rysunek 1c i d), przeprowadził serię symulacji i dał krzywe odpowiedzi na emisję oparte na nowych materiałach magnetostrykcyjnych, Terfenolu-D i Galfenolu. Pokazuje potencjał konstrukcji przetwornika do zastosowań w ultraniskich częstotliwościach.

Rysunek 1 Nowa konstrukcja przetwornika niskiej częstotliwości dla belki zakrzywionej (a), 0 to wiązka stała, a 1-5 to belki cylindryczne o różnej grubości

(3) Przetwornik z wygiętym dyskiem. Przetwornik z zakrzywionym dyskiem obejmuje konstrukcje z trzema, podwójnymi warstwami i tak dalej. Rysunek 2a przedstawia kompaktowy przetwornik z zakrzywionym dyskiem składający się z pary podwójnych warstw. Zagraniczna praca badawcza jest stosunkowo dojrzała. Prowadzone są szczegółowe badania nad tą podstawową strukturą przetwornika z zakrzywionym dyskiem. Wychodząc od tej podstawowej konstrukcji, poprzez zaprojektowanie komory cieczy i ulepszenie trybu jazdy, wyprodukowano kilka nowych konstrukcji]. Rysunek 2b przedstawia przetwornik z zakrzywionym dyskiem napędzany pierścieniem mozaikowym. Konstrukcja pokazana na rysunku 2c wykorzystuje przetworniki z zakrzywionym dyskiem o różnych rozmiarach w celu utworzenia matrycy i wykorzystuje różne metody sterowania, aby osiągnąć działanie szerokopasmowe. Figura 2d przedstawia przetwornik z zakrzywionym dyskiem i strukturą wnęki przelewowej. Rozmiar wnęki na ciecz jest odpowiednio dostosowany w projekcie, aby spełnić wymagania dotyczące parametrów akustycznych. Jest to przetwornik z zakrzywioną tarczą napędzany galfenolem, który wykorzystuje strukturę podobną do przetwornika podłużnego w celu wzbudzenia drgań zginających przedniego promieniującego 

Rysunek 2 Nowa konstrukcja przetwornika niskiej częstotliwości z zakrzywionym dyskiem

1.1.2 Przetwornik naprężeniowy

Koncepcja przetwornika drgań zginających zaczęła się od patentu Hayesa z 1936 roku. Podstawowy tryb pracy polega na tym, że jeden lub więcej wibratorów teleskopowych napędza osłonę drgań zginających w celu wygenerowania promieniowania dźwiękowego o niskiej częstotliwości. Badania i zastosowanie przetworników zginania w moim kraju trwają od końca XX wieku. Naukowcy zaprojektowali przetworniki zginania i napięcia o różnych strukturach. Ze względu na strukturę i metodę wzbudzenia przetworniki zginania dzielą się na trzy kategorie. Ta metoda klasyfikacji jest tutaj stosowana do oddzielnego wprowadzenia.

 

(2) Przetwornik naprężenia zginającego o konstrukcji cylindrycznej. Ten typ przetwornika napędzany jest wzdłużnym wibratorem teleskopowym w celu przełożenia osłony wibracyjnej zginanej. Wibracyjna osłona przetwornika jest konstrukcją translacyjną, czyli cylindryczną osłoną o różnych kształtach, która napędzana jest przez jeden lub więcej podłużnych wibratorów teleskopowych. Obejmuje przetwornik zginania typu IV i jego strukturę odkształcenia, przetwornik zginania typu VII, czworoboczny przetwornik zginania itp. Rysunek 3a przedstawia typową strukturę przetwornika zginania typu IV. Opracowano przetwornik zginania typu IV napędzany ferroelektrycznym, monokrystalicznym materiałem PMNT typu relaksor. Opracowano przetwornik zginania typu IV napędzany gigantycznym materiałem magnetostrykcyjnym będącym pierwiastkiem ziem rzadkich Terfenol-D. Rysunek 3b przedstawia nową konstrukcję przetwornika zginania typu VII, który jest napędzany gigantycznym materiałem magnetostrykcyjnym będącym pierwiastkiem ziem rzadkich, Terfenolem-D. Metodę wzbudzania zaprojektowano w najszerszej części wymiaru poprzecznego, a parę równoległych wibratorów zaprojektowano tak, aby umożliwić dogłębne spojrzenie na tego typu przetworniki. Seria badań obejmuje analizę projektu naprężenia wstępnego, modelowanie teoretyczne, analizę modalną, badania eksperymentalne itp. Rysunek 3c przedstawia ulepszoną nową konstrukcję przetwornika zginania typu IV, która jest podobna do ulepszenia konstrukcji przetwornika zginania typu I do przetwornika zginania typu II, wykorzystując eliptyczną strukturę powłoki z wydłużoną długą osią, przetwornik jest napędzany przez ferroelektryczny materiał relaksacyjny PMNT, który ma lepsze działanie szerokopasmowe charakterystyki niż ogólny przetwornik zginania typu IV. Rysunek 3d przedstawia najwcześniejszy nowy projekt udoskonalenia przetwornika zginania typu IV w Chinach — przetwornik zginania typu rybiej wargi, który wykorzystuje eliptyczną powłokę o zmiennej wysokości i wykorzystuje supermagnetostrykcyjny materiał ziem rzadkich, materiał Terfenol-D. Ta wibrująca powłoka o specjalnym kształcie ma efekt ramienia dźwigni i silnie wyważony efekt podwójnego wzmocnienia. Obecnie przetwornik zgięciowy typu „ryba warga” Terfenol-D został wyprodukowany w formie seryjnej i zaprojektowany jako konstrukcja dwupłaszczowa w celu dalszego zwiększenia mocy transmisji. Maksymalna moc akustyczna pojedynczego przetwornika może osiągnąć 10 000 watów, co czyni go domowym przetwornikiem nadawczym niskiej częstotliwości i dużej mocy. Jeden z podstawowych typów. Rysunek 3e przedstawia czworoboczny przetwornik zginany i napinający o wzbudzeniu ortogonalnym, w którym zastosowano ulepszenie zwartej konstrukcji, które umożliwia dodanie większej liczby materiałów funkcjonalnych w ograniczonej objętości i poprawę poziomu źródła dźwięku emisji. Rysunek 3f przedstawia kolejną ulepszoną nową konstrukcję przetwornika naprężenia zginanego typu IV, podobną do ulepszenia konstrukcyjnego przetwornika naprężenia zginającego typu I do przetwornika naprężenia zginającego typu III, w którym wykorzystuje się dwie eliptyczne powłoki połączone szeregowo wzdłuż kierunku długiej osi. Jako całość do wzbudzenia używany jest dłuższy stos piezoelektryczny, tak że częstotliwość rezonansowa wibratora wzdłużnego jest zmniejszona i zbliżona do trybu częstotliwości podstawowej płaszcza zginanego, który jest sprzyja sprzężeniu modalnemu w celu osiągnięcia szerokopasmowej charakterystyki operacyjnej. Rysunek 3g przedstawia ulepszoną nową konstrukcję wibratora wzbudzenia przetwornika zginania typu IV. Jest to przetwornik zginania typu IV napędzany składanym wibratorem. Taka konstrukcja w połączeniu z materiałem obudowy o niskiej sztywności może skutecznie zmniejszyć częstotliwość rezonansową.

Rysunek 3 Przetwornik naprężenia zginającego o konstrukcji słupowej

Jest również znany jako przetwornik zginania typu tykwy. Badany jest przetwornik zginania typu tykwy napędzany PZT i PZT+Terfenol-D. , Przeprowadzono analizę symulacyjną parametrów charakterystycznych emisji wspólnego wzbudzenia. Figura 4c przedstawia przetwornik napięcia zginającego z wklęsłą rurką, wzbudzany kombinacją magnetostrykcji i piezoelektryku. W projekcie wykorzystano dwa elementy wzbudzające, Terfenol-D i PZT, w celu utworzenia kompozytowego wibratora wzdłużnego. Rysunek 4d przedstawia przetwornik naprężenia z wklęsłym cylindrem. Jest on wzbudzany przez stos wielopiezoelektryczny. Przy założeniu, że powłoka pozostaje niezmieniona, a całkowita objętość piezoelektrycznego materiału ceramicznego jest taka sama, przeprowadzono analizę różnych liczb (1-4) napędów stosu piezoelektrycznego. Aby określić wpływ na działanie przetwornika, zaprojektowano i opracowano przetwornik napięcia zginającego o wklęsłej rurce wzbudzany przez potrójny stos piezoelektryczny.

Rysunek 4 Przetwornik naprężenia zginającego korpusu obrotowego typu długiego

Płaski przetwornik naprężenia zginającego korpusu obrotowego. Ten typ przetwornika jest napędzany przez promieniowo rozszerzający się wibrator, który napędza obrotowo symetryczną powłokę wibracyjną przy zginaniu. Wibrująca osłona przetwornika jest konstrukcją o symetrii obrotowej, zazwyczaj parą wypukłych lub wklęsłych kulistych nasadek (lub kulistych nasadek) lub składa się z dysku itp., napędzanego promieniowo rozszerzającym się wibratorem pierścieniowym lub tarczowym, w tym przetwornikiem naprężenia zginającego w kształcie litery V, przetwornikiem naprężenia zginającego w kształcie VI, przetwornikiem naprężenia zginającego w kształcie dysku itp., wprowadzone tutaj Mały rozmiar typu V Przetwornik flextensional — przetwornik flextensional typu talerzowego i dyskowego. Rycina 5a przedstawia mały przetwornik zginania w kształcie litery V. Para metalowych zaślepek napędzana jest piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym, który wibruje promieniowo, wytwarzając wibracje zginające; Rysunek 5b przedstawia przetwornik zginania w kształcie dysku, w którym zastosowano PZT-. 4 Promieniowo spolaryzowany piezoelektryczny pierścień ceramiczny napędza zakrzywiony dysk. Tarcza jest podzielona na 16 równych sektorów wzdłuż promieniowej szczeliny, aby zmniejszyć sprzężenie wibracji bocznych. Przetworniki zginająco-naprężające tych dwóch form konstrukcyjnych charakteryzują się niską częstotliwością rezonansową, małymi rozmiarami geometrycznymi i wysoką sprawnością elektroakustyczną.

Rysunek 5 Płaski przetwornik naprężenia zginającego korpusu obrotowego

1.2 Postęp badań nad szerokopasmowymi przetwornikami wysokiej częstotliwości

Oprócz odległości detekcji jako ważnego wskaźnika podwodnego sprzętu akustycznego, kolejnym kierunkiem rozwoju jest uzyskanie maksymalnej ilości informacji o celu jako głównym celu. Na przykład sonar obrazu o wysokiej rozdzielczości, podwodna komunikacja akustyczna o dużej przepustowości itp. Wymaga to pracy w trybie wysokiej częstotliwości, a robocze pasmo częstotliwości jest tak szerokie, jak to możliwe. Dlatego też szerokopasmowy, podwodny przetwornik akustyczny wysokiej częstotliwości stał się kluczowym elementem systemu, podobnym do optyki. Obiektyw układu obrazowania jest taki sam.

 

Rysunek 6a to a szerokopasmowy przetwornik wysokiej częstotliwości z piezoelektryczną kolumną ceramiczną i warstwą dopasowującą. Badano stosunek odstępów ceramiki piezoelektrycznej do rozmiaru ceramiki oraz wpływ materiałów wypełniających na szerokość pasma. Szerokopasmowy przetwornik wysokiej częstotliwości o podwójnej warstwie, zaprojektowany na rysunku 6b, wykorzystuje piezoelektryczne kolumny ceramiczne do utworzenia układu, a następnie dodaje strukturę podwójnej dopasowanej warstwy składającej się z warstwy metalu i materiału kompozytowego z żywicy, aby uzyskać szerokopasmową emisję akustyczną o wysokiej częstotliwości. Rysunek 6c przedstawia zaprojektowany piezoelektryczny kompozytowy przetwornik szerokopasmowy wysokiej częstotliwości o wysokiej częstotliwości, który składa się z 1-wymiarowo połączonych filarów piezoelektrycznych i 1-wymiarowo połączonych metalowych filarów ułożonych równolegle w trójwymiarowej połączonej matrycy polimerowej. Powstaje trójfazowy piezoelektryczny materiał kompozytowy i opracowano szerokopasmowy przetwornik nadawczy o wysokiej częstotliwości. Rysunek 6d przedstawia zaprojektowany szerokopasmowy przetwornik piezoelektryczny o wysokiej częstotliwości składający się z 1-3 kompozytów piezoelektrycznych, który wykorzystuje efekt sprzęgania trybu wibracji grubości i trybu wibracji poprzecznych pierwszego rzędu w celu uzyskania szerokopasmowej charakterystyki działania. Rysunek 6e przedstawia zaprojektowany szerokopasmowy przetwornik piezoelektryczny o wysokiej częstotliwości z pierścieniem kompozytowym. Piezoelektryczny pierścień kompozytowy otrzymuje się poprzez promieniowe przecięcie piezoelektrycznego pierścienia ceramicznego i zalanie żywicą epoksydową. Następnie otrzymuje się dwa piezoelektryczne pierścienie kompozytowe o różnej grubości ścianek. Pierścień kompozytowy jest nałożony na siebie, tworząc promieniujący promieniowo przetwornik o podwójnym rezonansie.

 

Rysunek 6 Przetwornik szerokopasmowy wysokiej częstotliwości