Innowacje technologiczne w rozwoju podwodnych przetworników akustycznych(1)

Innowacje technologiczne w rozwoju podwodnych przetworników akustycznych

 

 

70,8% powierzchni Ziemi to ocean. Rozległy ocean jest największą skarbnicą zasobów na Ziemi, a ocean jest także ważnym miejscem dla międzynarodowych zmagań militarnych. Badania, rozwój i wykorzystanie oceanów są nierozerwalnie związane z falami dźwiękowymi. Fale dźwiękowe są jedynym nośnikiem informacji, który może przemieszczać się w oceanie na duże odległości. Poszukiwanie i zagospodarowanie zasobów morskich, przetwornik komunikacji podwodnej i nawigacja statków, wykrywanie i rozpoznawanie celów podwodnych, monitorowanie środowiska i prognozowanie klęsk żywiołowych i tak dalej, aby osiągnąć wszystko, polegaj na podwodnej technologii akustycznej. Rozwój technologii akustyki podwodnej wymaga wsparcia wszelkiego rodzaju podwodnych przetworników akustycznych. Misją podwodnych przetworników akustycznych jest przesyłanie i odbieranie fal dźwiękowych pod wodą, dlatego nazywa się je „oczami i uszami podwodnego sprzętu akustycznego”, co można nazwać podwodnymi przetwornikami akustycznymi. Narodziny „H” wyznaczają początek rozwoju technologii hydroakustycznej. Postęp techniczny przetworników hydroakustycznych jest ważnym warunkiem wstępnym i podstawą szybkiego rozwoju technologii hydroakustycznej(1)

 

The podwodny przetwornik akustyczny nie jest prostym, izolowanym tematem, ale multidyscyplinarną dziedziną techniczną. Do ściśle powiązanych dziedzin zaliczają się głównie: fizyka, inżynieria materiałowa, matematyka, mechanika, elektronika, chemia, nauki mechaniczne itp., a więc akustyka podwodna. Mimo że przetwornik ma dopiero ponad stuletnią historię rozwoju, obecnie stał się tętniącą życiem dziedziną tematyczną. Pilna potrzeba z zakresu technologii hydroakustycznej jest bezpośrednią siłą napędową rozwoju przetworników hydroakustycznych, a rozwój materiałów funkcjonalnych i postęp technologiczny stanowią najważniejszą materialną podstawę rozwoju przetworników hydroakustycznych. W całej historii rozwoju przetworników hydroakustycznych, aby w jak największym stopniu sprostać stale rosnącym wymaganiom technicznym w dziedzinie hydroakustyki, stale unowocześniano odpowiednie materiały funkcjonalne. Ludzie przeprowadzili specjalne badania zastosowań wokół charakterystyki różnych materiałów funkcjonalnych i zaprojektowali nowe technologie oraz zaproponowano nowe konstrukcje, które poprawiły i rozszerzyły wszechstronne parametry techniczne przetwornika, co umożliwiło nieskończony strumień innowacyjnych wyników badań nad przetwornikiem. Autor wybiera kilka typowych przykładów badawczych przetworników startowych, analizuje i podsumowuje innowacyjne pomysły tych prac badawczych z kilku różnych punktów widzenia i ma nadzieję zapewnić młodym naukowcom pewne wskazówki i oświecenie oraz aktywnie zgłębiać głębokie aspekty klasycznych prac badawczych.

 

1. Innowacja techniczna podwodnego przetwornika akustycznego oparta na materiałach funkcjonalnych

 

W 1915 roku Paul Langevin z Francji i inni użyli nadajnika kondensatora i odbiornika cząstek węgla do przeprowadzenia podwodnych eksperymentów akustycznych. Te dwa urządzenia nadawczo-odbiorcze powinny być prymitywnymi podwodnymi przetwornikami akustycznymi; 1917 ~ 1918 Langevin Zhiwan zaprojektował i ulepszył przetwornik kwarcowy. Jego wibrator składa się z kilku piezoelektrycznych płytek kwarcowych umieszczonych pomiędzy dwiema grubymi stalowymi płytami. Struktura ta nazywana jest przetwornikiem Langzhiwana. Ponieważ naturalny kwarc nie jest w stanie zaspokoić stale rosnącego zapotrzebowania, stwierdzono, że rozpuszczalna w wodzie syntetyczna sól piezoelektryczna kryształu piezoelektrycznego Rochelle ma silniejsze działanie piezoelektryczne niż kwarc, ale problemy ze stabilnością ograniczają zakres zastosowania, a piezoelektryczność jest nieco gorsza. Kryształy diwodorofosforanu amonu (ADP) ze względu na swoje stosunkowo stabilne właściwości znalazły szerokie zastosowanie podczas II wojny światowej. W 1920 roku w podwodnych przetwornikach akustycznych zastosowano efekt magnetostrykcyjny; w 1925 roku zaprojektowano i zastosowano niklowe przetworniki magnetostrykcyjne; w 1931 r. dogłębne badania cienkich blach niklowych doprowadziły do ​​szybkiego rozwoju przetworników magnetostrykcyjnych. I stopniowo zastępował piezoelektryczne przetworniki kryształowe; w 1944 roku odkryto, że ceramika z tytanianu baru po polaryzacji ma silną piezoelektryczność, a jej straty są znacznie mniejsze niż w przypadku materiałów magnetostrykcyjnych. Później, piezoelektryczne przetworniki ceramiczne z tytanianu baru. Szybko się rozwinął; spolaryzowana ceramika cyrkonianowo-tytanowo-ołowiowa (PZT) odkryta w 1954 roku ma silniejszą piezoelektryczność. Do dziś głównymi materiałami użytkowymi podwodnych przetworników akustycznych są ceramika piezoelektryczna PZT.

 

W latach 70. XX wieku dr Clark AE ze Stanów Zjednoczonych opracował gigantyczny, magnetostrykcyjny, trójskładnikowy stop metali ziem rzadkich, Terfenol-D. Od lat 90-tych XX w. odkrywane są kolejno relaksacyjne ferroelektryczne materiały monokrystaliczne PZN-PT i PMN o właściwościach elektrycznych wysokiego napięcia i dużej gęstości energii -PT oraz dokonuje się nowych przełomów w badaniach aplikacyjnych tych trzech materiałów. W tej części skupimy się na wynikach badań nad nowymi przetwornikami z materiałów funkcjonalnych.

 

⒈Nowa generacja materiałów magnetostrykcyjnych i ich przetworników

Nowa generacja materiałów magnetostrykcyjnych obejmuje stopy metali ziem rzadkich i stopy metali rzadkich. Gigantyczny efekt magnetostrykcyjny materiałów stopowych metali ziem rzadkich odkryto po raz pierwszy w warunkach niskiej temperatury. Największe odkształcenie magnetostrykcyjne materiału Tb0.6Dy0.4 w temperaturze 77 K wynosi 0,65%, a najwyższe odkształcenie magnetostrykcyjne terfenolu-D w temperaturze pokojowej wynosi 0,25%. Istnieją dokumenty wskazujące, że opracowano magnetostrykcyjny, dwutłokowy przetwornik wzdłużny napędzany cewką nadprzewodzącą. Pręt magnetostrykcyjny ze stopu metali ziem rzadkich (terb-dysproz) umieszcza się w pomieszczeniu klimatyzacyjnym (temperatura 50-60 K), a wieża chłodnicza zapewnia cyrkulację i chłodzenie przez wieżę chłodniczą lodówki. W pomieszczeniu cewka z materiału nadprzewodzącego wytwarza pole magnetyczne polaryzacji prądu stałego i pole magnetyczne wzbudzenia w celu wzbudzenia pręta magnetostrykcyjnego w celu wygenerowania drgań rozciągających i przeniesienia ich na tłokową powierzchnię promieniującą poprzez mechaniczny element przejściowy. Tłokowa powierzchnia promieniująca wypycha ośrodek wodny, wytwarzając fale ciśnienia dla promieniowania. 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 są następujące: częstotliwość rezonansowa wynosi 430 Hz, maksymalny poziom źródła dźwięku wynosi 181,4 dB, a sprawność wynosi około 25%. Ten podwodny przetwornik hydrofonowy komplikuje proces produkcyjny w celu uzyskania warunków pracy w niskiej temperaturze. W ostatnich latach ludzie chętnie korzystają z materiału Terfenol-D, który działa w temperaturze pokojowej, aby uprościć proces produkcyjny, jednocześnie uzyskując doskonałe właściwości radiacyjne dzięki nowej strukturze.

 

Jest to ośmiokątny przetwornik nadajnika napędzany terfenolem-D, ukończony przez Butlera w 1980 r. 16 prętów ziem rzadkich jest rozmieszczonych w dwóch warstwach, a 8 prętów ziem rzadkich w każdej warstwie jest połączonych w ośmiokąt poprzez blok przejściowy w kształcie klina i tworzy zamknięty obwód magnetyczny, blok przejściowy jest połączony z powierzchnią promieniującą części cylindra (w pobliżu kąta centralnego 45°), a pręt ziem rzadkich jest wstępnie naprężony pod wpływem naprężenia o dużej wytrzymałości przewody pomiędzy blokami przejściowymi. Wewnętrzne naprężenie wstępne pręta ziem rzadkich wynosi około 13,8 MPa, a częstotliwość rezonansowa przetwornika w wodzie Przy 775 Hz porównano nieliniową jazdę w warunkach pola magnetycznego polaryzacji prądu stałego i warunków pola nieobciążonego, a poziom źródła dźwięku wynosił odpowiednio 189,8 dB w warunkach pola magnetycznego polaryzacji prądu stałego i 196,2 dB w warunkach nieobciążonego napędu nieliniowego.