Innowacje technologiczne w rozwoju podwodnych przetworników akustycznych(2)

     Innowacje technologiczne w rozwoju podwodnych przetworników akustycznych(2)

Stop żelaza i galu (galfenol) to nowy rodzaj materiału magnetostrykcyjnego, który pojawił się w ostatnich latach. Jego odkształcenie magnetostrykcyjne mieści się pomiędzy niklem a terfenolem-D, przy 300 ppm (ppm to mikrozmienna reprezentująca ΔL/L=10-6). Powyżej, w porównaniu z terfenolem-D, ma zalety wyższej względnej przepuszczalności (>100), dobrej obrabialności, stabilności w wysokiej temperaturze i dużej wytrzymałości na rozciąganie. Ponieważ materiał ze stopu żelaza i galu ma dobrą wydajność obróbki i wysoką wytrzymałość mechaniczną, można go stosować do projektowania i obróbki obudowy przetwornika zginania. Rysunek 2b przedstawia przykład badawczy przetwornika naprężającego z wklęsłą lufą w obudowie ze stopu żelaza i galu. The napędzany jest podwodny przetwornik akustyczny. Wibrator składa się z elementów ze stopu żelaza i galu o wymiarach Φ20 mm × 40 mm oraz arkuszy magnesów trwałych neodymowo-żelazowo-borowych i tworzy zamknięty obwód magnetyczny z powłoką promieniującą. Wyniki eksperymentów pokazują, że odpowiedź na prąd emisji przetwornika wynosi 168,4 dB (częstotliwość rezonansowa 1750 Hz), co jest wynikiem lepszym niż duraluminium o tej samej wielkości geometrycznej. Obudowa przetwornika (częstotliwość rezonansowa 1900 Hz) została poprawiona o prawie 5 dB, co odzwierciedla zalety konstrukcyjne aktywnej obudowy.

 

Opublikowano w 2000 roku wyniki badań szerokopasmowego przetwornika wzdłużnego wzbudzenia magnetostrykcyjno-piezoelektrycznego. Przetwornik podłużny jest wspólnie napędzany przez jednostkę Terfenol-D i stos PZT, który realizuje szerokopasmową pracę z podwójnym rezonansowym sprzężeniem szczytowym 1,8 kHz i 3,5 kHz. Charakterystyka literacka podaje również, że w przypadku planarnego układu 4×4 dużej mocy złożonego z tego typu przetwornika poziom źródła dźwięku układu jest większy niż 225 dB w paśmie częstotliwości 1,5–6 kHz.

 

Wielojednostkowy przetwornik wzdłużny napędu Terfenol-D, autor pomysłowo zaprojektował jednostkę napędową, w jej konstrukcji zastosowano tuleję z magnesem trwałym do przyłożenia polarnego pola magnetycznego w celu oddzielenia statycznego pola magnetycznego od dynamicznego obwodu magnetycznego i dynamicznego pola magnetycznego. Na drodze unika się elementów z magnesami trwałymi o niskiej przepuszczalności, a efekt napędzania energią pola magnetycznego jest zwiększony; to schemat fizyczny jednostki napędowej. 4 takie jednostki napędowe są połączone mechanicznie szeregowo, tworząc podłużny zamiennik niskiej częstotliwości z przednią pokrywą i tylną masą. Urządzenie energetyczne, śruba centralna jest wstępnie naprężona; Rys. 3c przedstawia rzeczywisty obraz przetwornika po zapakowaniu, częstotliwość rezonansowa przetwornika wynosi 1,6 kHz, a poziom źródła dźwięku 177bB.

 

Konstrukcja obwodu magnetycznego przetwornika magnetostrykcyjnego jest bardzo ważna. Butler wziął za przykład przetwornik naprężenia z wklęsłą lufą i porównał efekty robocze sześciu schematów obwodów magnetycznych za pomocą analizy elementów skończonych. Struktury obwodów magnetycznych przedstawione na rys. 4a-f to odpowiednio .ciągły pręt ziem rzadkich plus pokrywa końcowa i tuleja akcesoriów z czystego żelaza, ciągły pręt ziem rzadkich plus pokrywa końcowa akcesoriów z czystego żelaza, ciągły pręt ziem rzadkich bez akcesoriów przepuszczalnych z czystego żelaza, kombinacja pręta ziem rzadkich i elementu magnesu stałego plus pokrywa końcowa i tuleja z czystego przepuszczalnego żelaza, kombinacja pręta ziem rzadkich i elementu magnesu stałego oraz pokrywa końcowa akcesoriów z przepuszczalnym magnesem z czystego żelaza, kombinacja pręta ziem rzadkich i elementu magnesu stałego bez akcesoriów magnetycznych przepuszczalnych z czystego żelaza, skuteczny obliczone współczynniki sprzężenia elektromechanicznego wynoszą odpowiednio 0,33, 0,30, 0,27, 0,23, 0,21 i 0,20, co wskazuje, że efektywny współczynnik sprzężenia elektromechanicznego wibratora ziem rzadkich zmienia się z ciągłego pręta ziem rzadkich na pręt ziem rzadkich połączony z arkuszem z magnesami trwałymi. Zaślepki końcowe i tuleje akcesoriów przepuszczalnych magnetycznie z czystego żelaza mają pewien wpływ na poprawę skuteczności sprzęgania elektromechanicznego wibratora ziem rzadkich, ale w przypadku materiałów napędzających o niskiej przenikalności względnej, takich jak terfenol-D, poprawa jest niewielka, a efektywny współczynnik sprzężenia elektromechanicznego określa się jako 0,20 do 0,23 lub 0,27 do 0,33.

 

 

2.Nowa generacja materiałów piezoelektrycznych i ich przetworników

Do pierwszej połowy XX wieku wszystkie materiały piezoelektryczne były monokryształami. Polikrystaliczny piezoelektryczny ceramiczny tytanian baru odkryto po raz pierwszy w latach pięćdziesiątych XX wieku, a następnie tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT) w latach sześćdziesiątych XX wieku. Wydajność tej ceramiki piezoelektrycznej znacznie przewyższa wydajność wczesnych monokryształów i od tego czasu PZT stał się głównym materiałem funkcjonalnym podwodnych przetworników akustycznych.

W połowie lat 90. odkryto nowe piezoelektryczne monokryształy niobianu ołowiu, magnezu i tytanianu ołowiu (PMN-PT) i niobianu ołowiu i cynku-tytanianu ołowiu (PZN-PT). Te dwa piezoelektryczne materiały monokrystaliczne mają bardzo wysokie odkształcenie nasycenia (ponad 1%), niskie straty i wysoki współczynnik sprzężenia piezoelektrycznego (większy niż 0,9), co pokazuje potencjalne zalety zwiększania mocy i poszerzania pasma częstotliwości w kierunku podwodnej akustyki przetwornik. W ostatnich latach wprowadzono trójskładnikowy piezoelektryczny materiał monokrystaliczny z trójskładnikowym niobianiem ołowiu, niobianu magnezu i tytanianu ołowiu (PIN-PMN-PT) i domieszkowanym manganem niobianem ołowiu, niobianu magnezu i tytanianu ołowiu (Mn: PIN-PMN-PT), który dodatkowo poprawia właściwości robocze w warunkach silnego pola elektrycznego.

Zastosowanie piezoelektrycznych materiałów monokrystalicznych, takich jak PMN-PT, w dziedzinie akustyki podwodnej rozpoczęło się od zaprojektowania i opracowania przetworników podłużnych. Meyer i inni przeprowadzili szereg prac badawczych, obejmujących szczegółową analizę 33-modowych i 32-modowych przetworników podłużnych PMN-PT oraz badanie porównawcze z PZT-8. Rysunek 5a przedstawia 33-modowy przetwornik wzdłużny napędzany przez stos 10 płytek PZT-8, rysunek 5b to 33-modowy przetwornik wzdłużny napędzany przez stos 3 PMN-PT, a rysunek 5c przedstawia 4 PMN-PT. Długie paski tworzą 32-modowy przetwornik wzdłużny w kształcie „usta”. Wyniki pokazują, że w przypadku zastosowania PMN-PT i PZT-8 do wykonania przetworników podłużnych o tej samej częstotliwości i poziomie źródła emisji oraz innych parametrach, kryształ PMN-PT. Długość stosu wynosi tylko około 30% PZT-8, co pokazuje zalety techniczne piezoelektrycznych materiałów monokrystalicznych do wytwarzania małych przetworników; tryb 32 umożliwia cięcie materiałów monokrystalicznych zgodnie z najlepszą orientacją wydajności, a jednocześnie pozwala na użycie kombinacji długich pasków. Pozwala uniknąć problemów technicznych, takich jak hodowanie pojedynczych płytek o dużych rozmiarach, poprawia niezawodność i spójność przetwornika oraz ma oczywiste zalety w zastosowaniach z lekkimi matrycami sonarowymi o średnich i wysokich częstotliwościach.

Monokryształ rozwinął a cylindryczny przetwornik nadawczy złożony z inkrustowanych pierścieni. Każdy pierścień składa się z 12 pasków w kształcie klina, a 9 pierścieni jest ściśle połączonych w kierunku osiowym, tworząc cylinder. Rozmiar geometryczny (Φ20,3 mm x 66 mm) Jest znacznie mniejszy niż piezoelektryczny przetwornik ceramiczny o tej samej częstotliwości i realizuje szerokopasmową charakterystykę pracy ponad 2,5 oktawy. W innym dokumencie wykorzystano monokryształ PMN-PT do opracowania przetwornika zginanego wklęsłego cylindra. Wibrator napędowy przetwornika składa się ze stosu 16 spolaryzowanych osiowo elementów Φ28mm×Φ10mm×4,8mm oraz obudowy wibracyjnej ze stopu tytanu. Odpowiedź napięciowa emisji jest poprawiona o ponad 5 dB w porównaniu z przetwornikiem o tej samej budowie wykonanym z materiału PZT-4.

Temperatura przejścia fazowego trygonalnego i tetragonalnego monokryształu PMN-PT jest stosunkowo niska, co w pewnym stopniu ogranicza jego zakres zastosowań, zwłaszcza w warunkach dużej mocy. Trójskładnikowy niobian ołowiu, indu, niobianu magnezu i tytanianu ołowiu (PIN-PMN-PT) i monokryształ domieszkowany manganem (Mn: PIN-PMN-PT) sprawiają, że temperatura przejścia fazowego ferroelektrycznego monokryształu relaksora jest oczywista. Zwiększa i jednocześnie znacznie zmniejsza współczynnik strat: temperatura przejścia fazowego wzrasta z 95°C do 125°C, współczynnik stratności zmniejsza się z 0,26 do 0,15, a współczynnik strat to tylko 1/2 zwykłej ceramiki piezoelektrycznej PZT-4. Istnieje również literatura wykorzystująca te dwa monokryształy o nowej formule, PMN-PT i PZT-4, do wytwarzania przetworników podłużnych i porównywania ich charakterystyk roboczych przy dużej mocy, co dowodzi, że materiał monokrystaliczny o nowej formule jest bardziej odpowiedni do warunków dużej mocy i dużego cyklu pracy. Poziom źródła dźwięku przetwornika PMN-PT jest o 5 dB wyższy niż przetwornika PMN-PT przy częstotliwości rezonansowej. W porównaniu z ceramiką piezoelektryczną PZT-4 poziom źródła dźwięku i moc źródła dźwięku przy częstotliwości rezonansowej są w zasadzie równoważne, a szerokość robocza zwiększa się 1-krotnie, a maksymalny poziom źródła dźwięku poza częstotliwością rezonansową zwiększa się o około 6 dB.

 

Badania nad zastosowaniem materiału monokrystalicznego PMN-PT skupiają się głównie na medycznych systemach obrazowania ultradźwiękowego o wysokiej częstotliwości. Oto tylko jeden przypadek badań nad zastosowaniem przetwornika hydroakustycznego Cymbal, w którym wykorzystano element PMN-PT o wymiarach Φ12,7 mm × 1 mm do wbicia tytanu o grubości 0,25 mm.

 

2. Innowacja techniczna konstrukcji i technologii podwodnych przetworników akustycznych

⒈Innowacje techniczne poprawiające właściwości wiązki

W nowoczesnym sonarze na ogół stosuje się różne podstawowe układy, aby uzyskać wymagane charakterystyki wiązki. Jednakże, gdy otwór montażowy przetwornika jest ograniczony i istnieją specjalne wymagania dotyczące charakterystyki wiązki, należy podjąć środki techniczne w celu kontrolowania charakterystyki wiązki przetwornika. Główne techniczne podejścia do ulepszeń obejmują: zastosowanie przegród, technologię superpozycji modalnej z wykorzystaniem dipoli i multipoli itp. W tej części wybrano kilka typowych przykładów badań, koncentrując się na analizie i podsumowaniu zastosowania metod superpozycji modalnej w celu poprawy charakterystyki wiązki przetwornika. Osiągnięcia techniczne.

⑴Użycie przegrody w celu poprawy charakterystyki wiązki przetwornika

We wczesnym systemie sonarowym powszechnie stosowano niezależny przetwornik. Gdy kierunkowość nie może spełnić wymagań, odbicie od przegrody wykorzystuje się do sterowania wiązką transmisyjną, co obejmuje głównie przejście przez przegrodę płaską, przegrodę cylindryczną i przegrodę kulistą. Przegroda płytowo-stożkowa do zmiany kierunkowości przetworników cylindrycznych, przetworników tłokowych, przetworników sferycznych itp. w pewnym stopniu spełnia potrzeby jednokierunkowego sterowania wiązką transmisyjną, jak pokazano na rysunku 6, zastosowanie podwójnych stożków. Przegroda odblaskowa dostosowuje kierunkowość magnetostrykcyjnego przetwornika toroidalnego i realizuje charakterystykę promieniowania wiązki jednostronnej.

 

Istnieje literatura mówiąca, że ​​przetwornik zginany typu IV o częstotliwości 3 kHz jest umieszczany w pobliżu ogniska parabolicznej przegrody reflektora, dzięki czemu przetwornik zginany typu IV z własną bezkierunkowością może uzyskać jednokierunkową charakterystykę promieniowania. W eksperymencie uzyskano kąt otwarcia pojedynczego kąta wynoszący 83°. W przypadku wiązki różnica w odpowiedzi z przodu i z tyłu wynosi 21 dB.

⑵ Modalny kombinowany przetwornik kierunkowy

Różne przetworniki strukturalne mają różne tryby drgań wielorzędowych. Przetworniki rezonansowe generalnie działają w oparciu o tryb drgań o częstotliwości podstawowej. Różne tryby wibracji będą odpowiadać ich skutecznym metodom wzbudzenia, dlatego można zastosować kombinację metod wzbudzenia. Zrealizuj superpozycję sterowania wieloma modami wibracji, aby osiągnąć cel polegający na zmianie charakterystyki wiązki nadawczej. Główne tryby, które mogą zmieniać charakterystykę wiązki przetwornika poprzez kombinację, obejmują tryb monopolowy, tryb dipolowy i tryb kwadrupolowy itp. Te podstawowe tryby mogą osiągnąć różnorodne wzorce kierunkowości poprzez kombinację ważoną. W tej części, w połączeniu z konkretnymi wynikami literatury, dokonano krótkiej analizy i podsumowania technologii przetwarzania i metod wzbudzania różnych przetworników strukturalnych w celu uzyskania superpozycji modalnej.

Wzbudzanie w wielu trybach zwykle przyjmuje metodę wzbudzenia z podziałem, taką jak: piezoelektryczna rura ceramiczna lub kulista powłoka często przyjmuje metodę dzielonej elektrody, patrz rysunek 7a, b; Magnetostrykcyjny przetwornik wielokątny ( pierścieniowy) przyjmuje niezależne wzbudzenie krawędziowe.

 

Butler i in. zaprojektował i opracował „przetwornik modalny”, nadal wykorzystując koncepcję konstrukcyjną wzbudzenia przegrodowego, ale przełamując ograniczenia podziału niezależnych komponentów, wykorzystując 8 niezależnych wibratorów wzdłużnych 1/4 do podziału masy ogonowej, każdy przetwornik. Powierzchnia promieniująca jest cylindryczną powierzchnią łuku o kącie zbliżonym do 45° i wspólnie otaczają podzielony i niezależnie napędzany cylindryczny przetwornik emitujący. Rozmiar geometryczny przetwornika nie jest ograniczony warunkami procesowymi niezależnych elementów, przy jednoczesnym przyjęciu kierunku wzdłużnego konstrukcji sprężonej. Wibrator ma zalety techniczne przy projektowaniu kierunkowych przetworników nadawczych niskiej częstotliwości i dużej mocy. Rysunek 8 przedstawia podstawowe kształty drgań modalnych „przetwornika modalnego”. Zaprojektowano i opracowano odpowiednio przetworniki modalne oparte na ceramice piezoelektrycznej PZT-8, monokrysztale PMN-PT i gigantycznych materiałach magnetostrykcyjnych Terfenol-D. Uzyskał kardioidalną kierunkową wiązkę nadawczą o wskaźniku kierunkowości 6dB i różnicy w odpowiedzi przód-tył 25dB.

 

Jest to inny typ przetwornika emisji kierunkowej o niskiej częstotliwości i dużej mocy — przetwornik zginania wzbudzonego strefowo. W projekcie stos piezoelektryczny (lub wibrator magnetostrykcyjny) przetwornika napięcia zginającego jest poddawany wzbudzeniu strefowemu za pomocą kombinacji trybów monopolowego i dipolowego nakłada się, tworząc kardioidalną wiązkę kierunkową. Rysunek 9a przedstawia przetwornik zginania o kierunkowości 900 Hz typu IV, a rysunek 9b przedstawia przetwornik zginania o kierunkowości 3 kHz typu VII.

W literaturze opisano szerokopasmowy, wielomodowy przetwornik cylindryczny z przegrodą (pokazaną na rysunku 10). Elektrody piezoelektrycznej ceramicznej rurki cylindrycznej są równo podzielone na dwie grupy i niezależnie wzbudzane w celu uzyskania monopolu (tryb 0) i dipola (tryb 1), a następnie współpracują z przegrodą w celu uzyskania jednostronnej emisji kierunkowej. W pracy badawczej wykorzystano także zależność fazową pomiędzy modami do zaprojektowania niezależnego wzmacniacza mocy i obwodu strojenia, poprzez niską częstotliwość „0+1” i wysoką częstotliwość „0 + 1”. －1' Sterowanie kombinacją modalną zapewnia szerokopasmową charakterystykę pracy. Przetwornik wykorzystuje 4 okrągłe rurki piezoelektryczne PZT-4 o wymiarach Φ38,2 mm x Φ31,8 mm x 19 mm w kierunku wysokości, a rozmiar po zapakowaniu wynosi Φ48 mm x 79 mm. Przegroda wykonana jest z dwóch kawałków gumy korkowej laminowanej w półkole. Cylindryczna powierzchnia ma grubość 6 mm, a emisja odpowiedź napięciowa waha się o 6 dB w paśmie częstotliwości 26–46 kHz.

2.Innowacje techniczne mające na celu poprawę charakterystyki częstotliwościowej

Dzięki wielokierunkowemu rozszerzeniu kierunku zastosowania podwodnej technologii akustycznej zakres częstotliwości roboczych aktywnych systemów sonarowych jest stale poszerzany. Wśród nich częstotliwość robocza sonaru obrazowego o wysokiej rozdzielczości została zwiększona do 106 Hz, a pasmo częstotliwości roboczej sonaru do wykrywania i komunikacji na bardzo duże odległości jest jeszcze niższe. Poniżej 100 Hz; z drugiej strony rozwój przetwarzania informacji sonarowej wymaga, aby pasmo częstotliwości roboczej przetwornika było jak najszersze. Dlatego też przetworniki niskiej częstotliwości i przetworniki szerokopasmowe cieszą się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem w podwodnym polu akustycznym, a wyniki badań są dość bogate. Jednakże nadal istnieje wiele problemów teoretycznych i technicznych, które nie zostały dobrze rozwiązane. Aspekt ten nadal będzie głównym obszarem badań i przedmiotem przyszłego rozwoju. W tej części dokonano selekcji prac badawczych w kierunku przetworników niskoczęstotliwościowych i przetworników szerokopasmowych oraz dokonano ich analizy i podsumowania. Innowacyjne pomysły i nowe osiągnięcia technologiczne.

⑴ Innowacyjna konstrukcja przetwornika niskiej częstotliwości

①Przetwornik drgań zginających o niskiej częstotliwości

Pierwszym problemem technicznym, przed którym staje rozwój przetworników niskiej częstotliwości, są wymiary geometryczne. Ogólnie rzecz biorąc, częstotliwość robocza przetworników rezonansowych jest odwrotnie proporcjonalna do rozmiaru geometrycznego, to znaczy im niższa częstotliwość przetwornika, tym większy rozmiar geometryczny, taki jak konwersja podłużna 500 Hz. Długość urządzenia energetycznego wynosi około 3m. Wibracje zginające mogą skutecznie zmniejszyć rozmiar geometryczny przetworników niskiej częstotliwości. Wśród nich do przetworników, których urządzenia funkcjonalne bezpośrednio uczestniczą w drganiach zginających, zalicza się głównie przetworniki z belką zginającą, przetworniki z dyskiem zginającym itp.

Rysunek 11a przedstawia typową konstrukcję belki zginanej z trzema warstwami. Kawałek piezoelektrycznych pasków ceramicznych przykleja się na górze i na dole belki gnącej. Kiedy jeden z piezoelektrycznych pasków ceramicznych rozciąga się, a drugi kurczy pod wpływem wzbudzenia, metalowa belka pośrodku będzie wytwarzać wibracje zginające. Ten rodzaj konwersji energii Urządzenie musi być wystawione na działanie wody z jednej strony, aby wyemitować fale dźwiękowe, dlatego zwykle kilka zakrzywionych wiązek łączy się, tworząc wnękę powietrzną, jak pokazano na rysunku 11b, każda powierzchnia promieniująca wibruje w fazie.

 

Podobną zasadę działania nazywa się przetwornikiem zakrzywionego dysku o strukturze dysku, który obejmuje również strukturę trójwarstwową i podwójnie laminowaną. Rysunek 11c przedstawia kompaktowy przetwornik z zakrzywionym dyskiem składający się z pary podwójnie laminowanych arkuszy. (Giętarka). W ramach analizy systemu Delany zbadano charakterystykę roboczą Bendera przy niskiej częstotliwości, małych rozmiarach i dużej mocy.

Rozwój przetworników drgań zginających o niskiej częstotliwości obejmuje również nowy przetwornik toroidalny z dzieloną strukturą (pokazany na rysunku 12). Przetwornik toroidalny dzielony można uznać za specjalny przetwornik wiązki zginanej. Oryginalną konstrukcję zaproponował Harris w 1957 r. Kompozytowa belka pierścieniowa składała się z wewnętrznego piezoelektrycznego pierścienia ceramicznego i zewnętrznego pierścienia metalowego. Modelowanie i analizę przetwornika przeprowadzono w oparciu o „model kamertonu” pokazany na rysunku 12b, a element napędowy dostosowano do konstrukcji dzielonej. Przetwornik z dzielonym pierścieniem można zaprojektować w większym rozmiarze, a masę można regulować poprzez rozkład grubości – sztywność, aby uzyskać optymalizację częstotliwości roboczej i charakterystyki promieniowania, jak pokazano na rysunku 12c.

 

②Przetwornik naprężenia zginającego

Koncepcja przetwornika zginania rozpoczęła się od patentu Hayesa w 1936 r. Po opublikowaniu przez Toulisa patentu na przetwornik zginania typu IV w 1966 r., badania i zastosowanie przetwornika zginania zaczęły być aktywne, a do tej pory było ich ponad połowa. W stuleciu historii rozwoju narodziły się różne formy konstrukcyjne przetworników zginania, a ich zasady działania i procesy konstrukcyjne są pełne innowacyjnych pomysłów projektowych. Nie możemy wprowadzać ich pojedynczo, w chronologicznej kolejności ich rozwoju, jedynie przetworniki zginająco-napięciowe. Struktura i metody motywacyjne firmy są podzielone na trzy następujące kategorie, które zostały pokrótce przeanalizowane i podsumowane.

△Przetwornik naprężenia zginającego o konstrukcji cylindrycznej. Ten typ przetwornika jest napędzany przez podłużny wibrator teleskopowy w celu przełożenia osłony drgań zginających, jak pokazano na rysunku 13. Osłona wibracyjna przetwornika jest konstrukcją translacyjną, to znaczy cylindryczną powierzchnią o różnych kształtach, napędzaną przez jeden lub więcej podłużnych wibratorów teleskopowych, a to przetwornik zginania typu IV, b to przetwornik zginania typu VII Urządzenie energetyczne, c to „w kształcie gwiazdy” przetwornik naprężenia zginającego napędzany ortogonalnym stosem piezoelektrycznym oraz przetwornik naprężenia zginającego w kształcie gwiazdy napędzany czworobocznym wibratorem magnetostrykcyjnym. Ponieważ ten typ przetwornika można łatwo zaprojektować jako wibrator o wzbudzeniu podzielonym, opisany powyżej kierunkowy przetwornik zginania zazwyczaj wybiera ten typ konstrukcji.

△Przetwornik naprężenia zginającego z długim korpusem obrotowym. Ten typ przetwornika napędzany jest przez wzdłużny wibrator teleskopowy, który napędza obrotowo symetryczną osłonę wibracyjną przy zginaniu, jak pokazano na rysunku 14. Wibrująca osłona przetwornika jest konstrukcją obrotowo symetryczną, zawierającą szereg belek beczkowych rozmieszczonych wzdłuż obwodu, które są zazwyczaj napędzane przez wzdłużny wibrator teleskopowy. Figury 14a i b przedstawiają wypukłe kształty przetwornika zginania typu I. Struktura i struktura wklęsła; jak pokazano na fig. 14c, wibrator wzbudzenia wzdłużnego przetwornika jest wydłużany w kierunku osiowym w celu zwiększenia objętości materiału funkcjonalnego w celu przekształcenia się w przetwornik zginania i rozciągania typu II; jak pokazano na rysunku 14d, osłona drgań zginających jest zaprojektowana w postaci dwóch lub więcej sekcji i przekształca się w przetwornik napięcia zginającego typu III. Zarówno przetworniki zginania typu II, jak i typu III mają odpowiednie struktury wklęsłe.

△Przetwornik naprężenia zginającego z płaskim korpusem obrotowym. Ten typ przetwornika jest napędzany przez promieniowo rozszerzający się wibrator, który napędza obrotowo symetryczną osłonę drgań zginających, jak pokazano na rysunku 15. Wibrująca osłona przetwornika jest konstrukcją obrotowo symetryczną, zazwyczaj parą wypukłych lub wklęsłych sferycznych koron (lub sferycznych koron), napędzanych przez promieniowo rozszerzający się wibrator pierścieniowy lub tarczowy. Rysunek 15a przedstawia zginany przetwornik pierścieniowy typu V, b to napędzany płytką przetwornik zginania typu V, c to przetwornik zginania typu VI, d i e to małe przetworniki zginania opracowane na podstawie konstrukcji b. Urządzenie nosi nazwę przetwornika Cymbal.

△ Przetwornik niskiej częstotliwości o strukturze wnękowej. Rezonator Helmholtza jest podstawową formą podwodnego przetwornika akustycznego o strukturze wnękowej, jak pokazano na rysunku 16. a, b i c to trzy podstawowe konstrukcje rezonatorów Helmholtza, które wykorzystują wzbudzenie piezoelektrycznej rurki ceramicznej, wzbudzenie dysku zginającego i wzbudzenie piezoelektrycznej kulki ceramicznej. Rezonatory Helmholtza mają na ogół wąskie pasmo częstotliwości roboczej, a d jest stosowane na podstawie b. Podwójne powierzchnie robocze zakrzywionej tarczy wzbudzają wnęki rezonansowe o różnych objętościach, aby zrealizować operację podwójnego rezonansu. W literaturze ustalono pełniejszy model analizy rezonatora Helmholtza i przeanalizowano związek pomiędzy charakterystyką roboczą a parametrami strukturalnymi rezonatora Helmholtza 300HZ. Morozow i in. zaprojektował podwodne źródło dźwięku organów piszczałkowych (pokazane na rysunku 17). Konstrukcja pokazana na rysunku 17a realizuje strojenie częstotliwości poprzez przesuwanie tulei w celu zmiany impedancji układu rezonansowego. Częstotliwość strojenia mieści się w zakresie od 225 do 325 Hz, a wydajność sięga 80% lub więcej, co odzwierciedla system o wysokim Q (współczynniku jakości) o wysokiej wydajności; Rysunek 17b W konstrukcji zastosowano konstrukcję dwururową z wbudowanym sferycznym źródłem dźwięku w celu uzyskania rezonansu o dwóch częstotliwościach. Rezonans niskiej częstotliwości jest rezonansem wnękowym składającym się z tulei o podwójnym przekroju. Rezonans wysokiej częstotliwości to tylko rezonans odpowiadający wewnętrznej rurze rezonansowej. Zewnętrzna tuleja i wewnętrzna rura rezonansowa mogą wykorzystywać metaliczne aluminium lub niemetaliczne materiały z włókna węglowego.

⑵ Innowacyjna konstrukcja przetwornika szerokopasmowego

W historii rozwoju podwodnej technologii akustycznej wyprodukowano różnorodne formy konstrukcyjne podwodnych przetworników akustycznych, z których każdy ma charakterystykę roboczą określoną przez jego właściwości strukturalne. Aby dostosować się do potrzeb inżynieryjnych zastosowań szerokopasmowych, prawie każdy przetwornik strukturalny staje przed problemami technicznymi związanymi z projektowaniem łączy szerokopasmowych i ulepszaniem procesów. Wśród nich przetwornik podłużny jest jedną z najczęstszych form konstrukcyjnych przetworników w dziedzinie podwodny przetwornik szerokopasmowy . Wyniki badań nad projektowaniem i zastosowaniem łączy szerokopasmowych są dość bogate. Zasady techniczne konstrukcji szerokopasmowej innych przetworników strukturalnych są w zasadzie podobne. W tej sekcji skupiono się na szeregu nowych pomysłów projektowych opartych na przetwornikach podłużnych w celu uzyskania charakterystyki szerokopasmowej.

① Kombinowany szerokopasmowy przetwornik wzdłużny

Stosowanie kombinacji pasm częstotliwości rozpoczęło się już na wczesnym etapie rozwoju technologii sonarowej. Wczesne prace zaobserwowano w latach czterdziestych XX wieku. Do napędzania prostokątnej płyty promieniującej zastosowano trzy magnetostrykcyjne przetworniki podłużne o różnych częstotliwościach rezonansowych oraz sześć przetworników w układzie drabinkowym. Napędzany przez wspólną cewkę uzwojenia (pokazaną na rysunku 18), niezależne częstotliwości rezonansowe przetwornika wynoszą odpowiednio 21,5, 23 i 24,5 kHz, Q=12 i Q=4 po kombinacji. Chociaż ta metoda łączenia pasm częstotliwości nie jest wyłącznie przetwornikiem szerokopasmowym, jest nadal szeroko stosowana w dziedzinie akustyki podwodnej, zwłaszcza w systemach akustycznych, takich jak symulacja hałasu i wabiki akustyczne. Kombinacja urządzeń realizuje charakterystykę emisji ultraszerokopasmowej.

 

② Modalny, szerokopasmowy przetwornik wzdłużny

W analizie modelu jednowymiarowego przyjmuje się zazwyczaj, że pokrywa przednia przetwornika wzdłużnego drga podobnie jak tłok, czyli nie występują drgania zginające. Gdy róg powierzchni promieniującej przetwornika jest stosunkowo szeroki, muszą mu towarzyszyć drgania zginające, co jest rozsądne. Wykorzystując tryb drgań zginających przedniej pokrywy, aby skutecznie połączyć go z trybem drgań wzdłużnych, można zaprojektować szerokopasmowy przetwornik wzdłużny. W literaturze zbadano efekt sprzęgania drgań zginających i drgań wzdłużnych kwadratowej promieniującej płyty osłonowej i zaprojektowano przetwornik szerokopasmowy. W innej literaturze w osłonie radiacyjnej osadzony jest dysk wibrujący i zginający, a dysk zginający jest sprzężony z trybem wibracyjnym przetwornika podłużnego, a przetwornik szerokopasmowy jest zaprojektowany i opracowany jak pokazano na rysunku 19a. Stos piezoelektryczny przetwornika podłużnego można zaprojektować w wielu grupach. Jak pokazano na rysunku 19b, jest to podstawowa konstrukcja przetwornika, która wykorzystuje sprzężenie modalne z podwójnym wzbudzeniem w celu uzyskania pracy szerokopasmowej. Butlera opiera się na konstrukcji przetwornika podłużnego o podwójnym wzbudzeniu. Dogłębny rozwój, taki jak zastosowanie hybrydowego podwójnego wzbudzenia magnetostrykcyjnego i piezoelektrycznego do zaprojektowania szerokopasmowego przetwornika wzdłużnego, a przednia pokrywa do wklejenia warstwy dopasowującej o długości fali 1/4 oraz zaprojektowanie ultraszerokopasmowego przetwornika wzdłużnego sprzęgającego w trybie rezonansu trzeciego rzędu. Urządzenie, jak pokazano na rysunku 19c, ma pasmo częstotliwości roboczej od 13 do 37 kHz.

③Szerokopasmowy przetwornik wzdłużny połączony z wnęką cieczową

Typową konstrukcją sprzęgła pomiędzy przetwornikiem podłużnym a wnęką cieczową jest przetwornik Janusa-Helmholtza (pokazany na rysunku 20). W przetworniku podłużnym zastosowano dwustronną konstrukcję promieniującą, zwaną Janus, z cylindryczną tuleją zaprojektowaną tak, aby tworzyła wnękę rezonansową Helmholtza pomiędzy podwójnymi głowicami promieniującymi Janusa; ogólny przetwornik rezonansowy wnęki cieczy ma wąskie pasmo częstotliwości roboczej. We wspólnej aplikacji Janus transmisja szerokopasmowa może być realizowana poprzez zoptymalizowaną konstrukcję sprzężenia modalnego.

Gall zaprojektował dwa przetworniki Janusa-Helmholtza, 300 Hz i 160 Hz, i szczegółowo zbadał wpływ dodania podatnej lampy do wnęki rezonansowej Helmholtza na szerokopasmową charakterystykę roboczą przetwornika.

⒊Innowacja techniczna poprawiająca moc emitowanego dźwięku

Bezpośrednim sposobem na zwiększenie mocy akustycznej podwodnego przetwornika akustycznego jest zwiększenie głośności przetwornika, zwiększenie jego liczby i utworzenie ciasno upakowanej matrycy. Najskuteczniejszą metodą jest zastosowanie materiałów funkcjonalnych o dużej gęstości energii. W poprzednich rozdziałach wyjaśniono zastosowanie materiałów funkcjonalnych o dużej gęstości energii. W tej części skupiono się na innowacjach technicznych w konstrukcji i procesie wytwarzania przetworników o małej objętości i dużej mocy.

Opisując zalety i wady małych rozmiarów i dużej mocy przetwornika, do pomiaru zwykle używa się wartości objętościowej, a mianowicie

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Wzór ⑴ określa współczynnik głośności określonego typu przetwornika, gdzie: Wa to moc akustyczna (W), V to objętość przetwornika (m3), f0 to częstotliwość rezonansowa (Hz), Q to współczynnik jakości. Współczynnik głośności urządzenia jest ściśle powiązany ze strukturą i materiałami funkcjonalnymi. Delany zaprojektował i opracował kompaktowy przetwornik z zakrzywioną płytą (Bender) oraz systematycznie analizował i badał charakterystykę roboczą urządzenia Bender o niskiej częstotliwości, małych rozmiarach i dużej mocy.

 

 

Istnieje literatura projektująca przetwornik naprężenia zginającego typu I (typu wklęsłej beczki) w bardziej zwartą kombinację, która umożliwia stosowanie wielu klastrów przetworników w ograniczonej objętości w celu maksymalizacji przemieszczenia objętościowego i uzyskania dużych charakterystyk mocy. częstotliwość, duża moc i szerokie pasmo częstotliwości: podstawowa częstotliwość rezonansowa. Odpowiedź napięciowa transmisji przy 1,15 kHz wynosi 127 dB, jest dookólna, a odpowiedź napięciowa transmisji od 800 Hz do 10 kHz jest większa niż 120 dB. Parametr FOMv nie jest podawany w literaturze i oczekuje się, że będzie równy lub wyższy niż w przypadku przetwornika zginania w kształcie gwiazdy.

Powyższy projekt i analiza mająca na celu osiągnięcie małych rozmiarów i dużej mocy zasadniczo rozpoczynają się od ograniczeń elektrycznych i mechanicznych i uwzględniają jedynie gęstość energii materiałów funkcjonalnych oraz granicę wibracji konstrukcji. Gdy przetwornik wymaga długiego impulsu lub ciągłej pracy, ciepło i rozpraszanie ciepła przez przetwornik będzie największym problemem w warunkach dużej mocy. W tym momencie ograniczenie termiczne jest głównym czynnikiem ograniczającym ostateczną moc przetwornika. Granica cieplna przetwornika jest jednym z ważnych podstawowych zagadnień inżynierskich. Podobnie jak szczegóły procesu przetwornika, nie ma zbyt wielu opublikowanych prac badawczych. Istnieją literatury umożliwiające modelowanie i analizę problemów termicznych przetworników niskiej częstotliwości i dużej mocy oraz omawianie problemów przewodnictwa cieplnego przetworników Janusa-Helmholtza i przetworników zginanych typu IV. Gdy przetwornik pracuje w płytkiej wodzie, zwłaszcza przy niskiej częstotliwości i dużej mocy, zwiększenie mocy akustycznej będzie również ograniczone przez akustyczną granicę współczynnika kawitacji. Na tym tle metoda zwiększania mocy pojedynczego przetwornika nie jest już skuteczna. Tablica podstawowa również będzie ograniczona, więc istnieje tylko jeden sposób utworzenia rzadkiej tablicy podstawowej.

Dlatego przy projektowaniu przetworników niskiej częstotliwości i dużej mocy należy racjonalnie wybrać formę konstrukcyjną i materiały służące do funkcji napędowej, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak granica elektryczna, granica mechaniczna, granica termiczna i granica akustyczna, a także dokonać ogólnej analizy i kompleksowej optymalizacji. Istnieje optymalna zależność pomiędzy mocą graniczną a objętością przetwornika. Pogłębione badania w tym zakresie będą w przyszłości jednym z kierunków technicznych przetworników niskiej częstotliwości i dużej mocy.

 

⒋Innowacje technologiczne zwiększające odporność na ciśnienie hydrostatyczne

Obecnie społeczność akademicka zaproponowała pomysły rozwojowe, takie jak przejrzyste oceany i zinformatyzowane oceany. Celem jest umożliwienie objęcia technologią informacji podwodnej wszystkich zakątków oceanu, w tym regionów polarnych i rowów głębinowych. Dlatego postawili wymagania dotyczące stosowania podwodnych przetworników akustycznych na większej głębokości. Podważaj nawet zdolność do pracy na głębokich morzach. Wytrzymałość przetwornika na ciśnienie hydrostatyczne jest ściśle związana z konstrukcją przetwornika, szczególnie w przypadku przetworników emisji niskiej częstotliwości o niskiej sztywności konstrukcyjnej. Rozwiązywanie technologii konstrukcji odpornych na ciśnienie hydrostatyczne stało się ważnym tematem w pierwszej dziedzinie technologii przetworników prądu. Obecne skuteczne metody i środki rozwiązywania problemów z głębokością roboczą obejmują głównie napełnianie płynem, wypełnienie płynem dopasowane do rur, naturalne wsparcie strukturalne, kompensację butli z gazem pod wysokim ciśnieniem, kompensację poduszek powietrznych itp. Na głębokościach roboczych powyżej 1000 m jedyną skuteczną metodą techniczną jest technologia napełniania płynem, w tym typ swobodnego przelewu bezpośrednio wykorzystuje wodę morską jako płyn wypełniający lub wypełnia niektóre media o impedancji olejowej, aby osiągnąć samostatyczną równowagę ciśnienia; w promieniu 1000 m odporną na ciśnienie rurkę podatną można jednocześnie zastosować we wnęce na ciecz, aby poprawić podatność wnęki na ciecz; W promieniu 200 m naturalne podparcie konstrukcji wytrzymuje ciśnienie hydrostatyczne. W niektórych przetwornikach o bardzo małej sztywności konstrukcyjnej (takich jak przetworniki z ruchomą cewką) można zastosować cylindry pneumatyczne pod wysokim ciśnieniem w celu zapewnienia kompensacji ciśnienia. Ogólnie rzecz biorąc, w promieniu 100 m można zastosować kompensację poduszki powietrznej. Wprowadzony powyżej przetwornik struktury wnękowej można ogólnie zaprojektować jako tryb pracy wypełniony płynem, aby umożliwić pracę w głębokiej wodzie. W tej sekcji podano kilka przykładów zastosowań konstrukcji wypełnionych olejem.

 

Praca badawcza Kendiga opublikowana w 1965 roku dotyczyła łącznego zastosowania 4 piezoelektrycznych przetworników wzdłużnych napędzanych tarczami ceramicznymi PZT-4, wypełnionych olejem silikonowym w celu ochrony pustej przestrzeni powstałej pomiędzy stalowym płaszczem (w tym gumową płytką przewodzącą dźwięk) a przetwornikiem. Wnęka jest połączona z tylną komorą płynową. Guma przepuszczająca dźwięk z przodu i gumowa szyba z tyłu stykają się z wodą morską, aby osiągnąć równowagę ciśnienia wewnętrznego i zewnętrznego. Szerokość robocza przetwornika wynosi 30-50 kHz, a praca w zakresie ciśnienia hydrostatycznego 0-6,9 MPa została zbadana eksperymentalnie. Charakterystyczne jest, że ta metoda bilansu ciśnień jest nadal stosowana w wielu zestawach sonarów głębinowych. Rysunek 22b przedstawia przetwornik toroidalny ze swobodnym przelewem o strukturze wypełnionej olejem. Piezoelektryczny pierścień ceramiczny jest zawieszony w tulei z gumy poliuretanowej, a wnętrze wypełnione jest olejem silikonowym, aby uzyskać równowagę ciśnień ze światem zewnętrznym. Tuleja z gumy poliuretanowej jest idealnym materiałem przenoszącym dźwięk. Ten rodzaj przetwornika ma podobne właściwości robocze jak kauczuk poliuretanowy w postaci powłoki z bezpośrednim wlewem. Dla rury okrągłej PZT-4 Φ 150mm × Φ 140mm × 50mm przeprowadzono analizę symulacyjną i badania eksperymentalne gumy poliuretanowej w zakresie częstotliwości 5 ～ 10 kHz. Materiał tulei zastąpiono stopem tytanu lub stalą. W rezultacie stop tytanu zmniejsza odpowiedź napięciową emisji o około 6 dB, a stal zmniejsza odpowiedź napięciową emisji o około 12 dB.

 

3. Wniosek

Patrząc na stuletnią historię rozwoju technologii przetworników, od narodzin pierwszego przetwornika piezoelektrycznego do energicznego rozwoju nowoczesnej technologii przetworników, często pojawiały się innowacje technologiczne w podwodnych przetwornikach akustycznych. Główne cele innowacji i rozwoju technologii przetworników obejmują: upraszczanie złożonych procesów, przełamywanie wąskich gardeł technicznych, przepisywanie ograniczeń technicznych, poprawę kompleksowych parametrów technicznych, proponowanie nowych koncepcji i nowych mechanizmów, generowanie i rozwijanie nowych kierunków technicznych oraz pogłębianie i doskonalenie teorii dyscyplin przetwornikowych System i tak dalej. W artykule przedstawiono kilka przypadków badawczych, które odzwierciedlają innowacyjny projekt i znakomite wykonanie przetwornika z punktu widzenia zastosowania nowego materiału, nowej konstrukcji i technologii przetwornika itp.