Nou tip de traductor acustic subacvatic și noua tehnologie de traductor

Undele acustice sunt singurul purtător pe care îl au oamenii care pot transmite informații și energie pe distanțe lungi în marele ocean. Pe uscat, oamenii folosesc unde electromagnetice pentru a dezvolta radare. În mod similar, oamenii folosesc undele acustice ca purtători de informații pentru a dezvolta ținte subacvatice pentru detectare și echipamente electronice pentru poziționare, identificare și comunicare-sonar. În fața oceanului vast, sonarul are o misiune importantă care ajunge în toate colțurile oceanului vast, identifică diverse lucruri în el, care le spun oamenilor adevărata față a lumii subacvatice și îi ajută pe oameni să exploreze misterele oceanului, pentru a deveni navigație subacvatică de comunicații, pescuit acvatic, dezvoltarea resurselor marine, geologia marină și explorarea geomorfologiei. cel mai mic coeficient de atenuare în comparație cu alte câmpuri fizice, cum ar fi undele electromagnetice, și poate fi transmis pe distanțe mari. Acest avantaj face sonarul prin utilizarea undelor ultrasonice pentru a observa sub apă de la început. Scopul începe și continuă să se dezvolte. În prezent, banda de frecvență de lucru a sonarului a fost extinsă la o gamă largă. Sonarul activ a fost extins de la zeci de Hz la zeci de MHz, iar capătul de frecvență joasă a sonarului pasiv a fost extins la intervalul de infrasunete. Într-o bandă de frecvență atât de largă, conform reglementărilor, dispozitivul important care stimulează și generează unde sonore sub formă de semnale și simțuri și primește unde sonore în apă fără distorsiuni se numește traductor sonar sau matrice sonar. Aceste dispozitive sunt echipamentul front-end al sistemului sonar, precum și „fereastra” pentru ca sistemul sonar să interacționeze cu mediul de apă și să facă schimb de informații și sunt „realizatorii” funcțiilor sistemului sonar, pentru traductoare sau rețele sonar, este denumit în mod clar „sistemul ochi și urechi” al sistemului sonar. Odată cu extinderea continuă a domeniului de aplicare a tehnologiei sonarelor și cererea din ce în ce mai mare de confruntare și luptă militară, noi principii, noi tehnologii și noi echipamente sonar au apărut unul după altul, unul după altul. Cerințele de dezvoltare ale noii tehnologii sonare au determinat dezvoltarea rapidă a tehnologiei traductoarelor și aceleași descoperiri tehnologice în domeniul traductoarelor și dezvoltarea de noi materiale, noi mecanisme și noi structuri de traductoarele acustice subacvatice au făcut, de asemenea, sistemul sonar „înviorător”. Iată o scurtă trecere în revistă a stadiului de dezvoltare a tehnologiei traductoarelor în ultimii ani, pe baza informațiilor pe care le deține autorul și a nivelului limitat de înțelegere. Include în principal traductor hidroacustic cu material nou, traductor hidroacustic cu noua structură și mecanism nou, tip nou de hidrofon, tehnologie de traductor în bandă largă și așa mai departe.

 

2 Traductor acustic subacvatic din material nou

 

Traductorul este un dispozitiv care realizează conversia energiei în sistemul sonar. În traductor, există un material special care are capacitatea de a converti energia. Acest material se numește material funcțional. Materialele funcționale utilizate pentru fabricarea traductoarelor includ în principal materiale piezoelectrice (cum ar fi cristale piezoelectrice, ceramică piezoelectrică, polimeri piezoelectrici etc.) și materiale magnetostrictive (cum ar fi nichel, cobalt, aliaje nichel-fier, ferite, aliaje de fier din pământuri rare, etc.) etc.), ele utilizează efectul piezoelectric mutual de conversie a câmpului electric sau a energiei magneto-magnetice. energie și energie mecanică. Revoluția tehnologiei traductoarelor este determinată în mod fundamental de progresul tehnologic al materialelor funcționale. În ultimii ani, diverse realizări tehnice în domeniul materialelor funcționale au adus, de asemenea, zorii dezvoltării tehnologiei traductoarelor. Doctorul a descoperit că materialele de pământuri rare lantanide au proprietăți magnetostrictive uimitoare, dar nu au fost folosite în practică deoarece punctul curie este mai mic decât temperatura camerei. Mai târziu, s-a descoperit că aliajele binare, ternare sau cuaternare compuse din elemente de pământuri rare și fier au și proprietăți magnetostrictive gigantice la temperatura camerei. Cel mai reprezentativ aliaj de pământuri rare este Terfenol-D (compoziția este Tb0.27Dy0.73Fe1). 95), a devenit un nou tip de material funcțional care a atras multă atenție încă din anii 1980. Relaxare feroelectric monocristal de plumb niobat de magneziu-titanat de plumb (PMN-PT) și niobat de zinc de plumb-titanat de plumb (denumit PZN-PT) sunt noi tipuri de materiale cristaline compozite de perovskit și, de asemenea, apar O clasă de noi materiale funcționale cu perspective mari de aplicare. Înainte de aceasta, nichelul era folosit în mod obișnuit ca material pentru traductoare. În 1917, omul de știință francez Langevin a realizat un traductor sonar cu un cristal de cuarț, creând un precedent pentru aplicarea materialelor piezoelectrice în sonar în anii 1940, ceramica BaTiO3 pzt cu proprietăți piezoelectrice puternice au fost dezvoltate cu succes și au fost utilizate pe scară largă în sistemele sonare. Ceramica piezoelectrică PZT dezvoltată în anii 1950 are o gamă largă de temperaturi de funcționare și proprietăți electromecanice excelente. Eficiența conversiei compensează insuficiența ceramicii Ba TiO3 și a devenit odată materialul de alegere pentru traductoarele acustice subacvatice. Printre acestea, materialul ceramic piezoelectric cu densitate mare de energie este PZT-8. O comparație simplă a materialelor de mai sus: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT pot produce o tulpină de aproximativ 5 ori mai mare decât PZT-8 și de 50 ori mai mare decât cea a nichelului; constantele piezoelectrice ale PMN-PT și PZN-PT sunt d33. Este de 6-8 ori mai mare decât materialul PZT-8. Utilizarea acestor materiale pzt pentru a dezvolta noi traductoare acustice subacvatice este unul dintre subiectele actuale fierbinți.

 

Material magnetostrictiv din traductorul acustic subacvatic cu cilindru este rar, care material magnetostrictiv gigant pământesc utilizează efect magnetostrictiv pentru a realiza conversia reciprocă între energia câmpului magnetic și energia mecanică și este utilizat în principal pentru a dezvolta traductoare de emisie acustică subacvatică de joasă frecvență și de mare putere. Este un fel de structură „complexă” a traductorului hidroacustic magnetostrictiv superconductor de temperatură înaltă. Din perspectiva structurii traductorului, structura acestuia este foarte simplă. Este un traductor longitudinal obișnuit cu două radiatoare. Așa-numitul „complex” aici se referă la bogata sa conotație fizică. Puterea magnetostrictivă a materialelor din aliaje cu pământuri rare la temperatură scăzută este mai mare decât cea la temperatura camerei. De exemplu, tulpina magnetostrictivă maximă a Tb0.6Dy0.4 la temperatura de 77K este de 0,65%, în timp ce Terfenol-D este la temperatura camerei. Cea mai mare tulpină magnetostrictivă este de 0,25%. S-a dezvoltat un traductor hidroacustic magnetostrictiv din material Tb0.6Dy0.4 cu un interval de temperatură de 50-60K: materialul sub formă de tijă din aliaj de pământuri rare este plasat în camera de aer condiționat, iar turnul de răcire al frigiderului este răcit ciclic, iar camera de aer condiționat este asigurată de un material supraconductor. Câmpul magnetic de polarizare și câmpul magnetic de excitație excită tija magnetostrictivă pentru a produce vibrații de întindere, care sunt transmise la suprafața radiantă de tip piston prin piesa de tranziție mecanică, iar suprafața radiantă de tip piston împinge mediul de apă pentru a genera radiație de undă de presiune. O cameră de vid este proiectată în structură pentru a izola conducția căldurii. Peretele exterior al camerei de vid este un capac rezistent la presiune în formă de cupolă, care poate rezista la o presiune de 10 atmosfere. Principalii parametri tehnici sunt următorii: frecvența de rezonanță 430 Hz, nivelul maxim al sursei de sunet 181. 4db, eficiența este de aproximativ 25%. Procesul de fabricație al acestui tip de traductor este complicat. În ultimii ani, oamenii sunt încă dispuși să folosească material terfenol-D care funcționează la temperatura camerei, să abandoneze o tulpină magnetostrictivă și să îl înlocuiască cu o nouă structură pentru a obține performanțe excelente de radiație. Următoarea este o scurtă introducere în progresul cercetării mai multor materiale magnetostrictive structurale în traductoarele acustice subacvatice. Traductorul longitudinal are o structură simplă. Tija magnetostrictivă este combinată cu capul radiant frontal și masa cozii pentru a forma un sistem de vibrații unidimensional similar. Capul radiant frontal este în general realizat din materiale ușoare, iar masa cozii este în general realizată din materiale dense pentru a obține o suprafață radiantă. Produce o deplasare mai mare a vibrațiilor. Sunt introduse două traductoare longitudinale dezvoltate cu materiale Terfenol-D. Unul este un traductor longitudinal general cu o frecvență de rezonanță de 1200 Hz, o putere sonoră de 3 kW și o greutate a traductorului de 60 kg; celălalt este tija de pământuri rare la ambele capete. Proiectat ca un traductor longitudinal radiant cu două capete în formă de corn, frecvența de rezonanță este de 400 Hz, puterea sonoră este de 1,5 kW și greutatea traductorului este de până la 100 kg. Traductor în formă de inel: un poligon obișnuit înconjurat de un număr de tije de pământ rare și o serie de suprafețe de arc circular sunt excitate de piesa de tranziție pentru a produce vibrații radiale pentru a obține radiații acustice de mare putere. Au fost dezvoltate o serie de traductoare toroidale de mare putere cu frecvență joasă de pământuri rare, inclusiv traductoare cu o frecvență de rezonanță de 200 Hz (diametru interior 0,56 m, diametru exterior 0,94 m, înălțime 0,37 m, nivelul sursei de sunet 193 dB, greutate 410 kg) și un traductor (frecvență de rezonanță cu diametrul de 320 m). 1,1 m, nivelul sursei de sunet 195 dB, greutate 5 t). Traductorul Flextensional este un fel de traductor care utilizează vibrația longitudinală a stivei ceramice piezoelectrice sau a tijei magnetostrictive pentru a excita suprafața de radiație a carcasei (sau fasciculului cilindric) cu efect de amplificare a amplitudinii pentru vibrația de îndoire. Mai multe traductoare utilizate în mod obișnuit sunt enumerate Tipuri de traductoare de flextension, printre care I, II și III au aceleași caracteristici. Tija vibratoare longitudinală excită o carcasă curbată simetrică rotațional. Carcasa poate fi o structură continuă sau o structură care este tăiată într-un grup de grinzi. Purcell a folosit material Terfenol-D pentru a dezvolta un traductor de îndoire-tensiune cu fascicul concav (tip III), cu o frecvență de rezonanță de 1300 Hz, un nivel al sursei de sunet de 188,7 dB și o lățime de bandă de 600 Hz. Datorită utilizării unui circuit magnetic deschis cu o singură tijă, frecvența de rezonanță este Eficiența electroacustică AC maximă este de numai 7%, iar greutatea traductorului este de 2,7 kg. Traductoarele de flexiune cu buze de pește au caracteristici comune. Traductorul este excitat de o tijă vibrantă longitudinală pentru a flexa carcasa eliptică convexă sau concavă pentru a obține radiații de mare putere. Traductorul flextensional cu buze de pește adoptă efectul de amplificare a amplitudinii. Efectul de ponderare cu suprafața crește puterea radiației sunetului. Raportat acest nou tip de traductor acustic subacvatic de mare putere de joasă frecvență, inclusiv frecvența de rezonanță de 210Hz, 450Hz, 800Hz și 1200Hz, rezultatele cercetării acestui nou tip de traductor este utilizat în prezent în sisteme de frecvență joasă, precum și surse active de sunet, cum ar fi surse acustice de frecvență joasă și țintă acustica. simulatoare de zgomot.

 

Traductor acustic subacvatic de relaxare material feroelectric

 

Materialele feroelectrice Relaxor sunt un fel de materiale funcționale potențiale, care pot fi împărțite în tipuri ceramice electrostrictive și tipuri de un singur cristal feroelectric relaxor. Procesul de fabricație al monocristalelor feroelectrice relaxoare este mult mai complicat decât cel al materialelor ceramice electrostrictive. Cercetătorii au folosit aceste materiale pentru a realiza multe tipuri de traductoare, cum ar fi traductoare de îndoire, traductoare longitudinale și așa mai departe. Tehnologia de fabricație a traductoarelor a acestui tip de material este mai complicată și este necesar să adăugați un câmp electric de polarizare DC, să aplicați precomprimare și să controlați temperatura procesului. Utilizarea ceramicii electrostrictive PMN-PT-BT (niobat de plumb de magneziu-titanat de plumb-titanat de bariu) a dezvoltat traductorul de flextension de tip IV. Rezultatele cercetării arată că traductorul dezvoltat nu a maximizat potențialul materialului. Această lucrare va fi în continuare unul dintre punctele fierbinți care trebuie explorate în domeniul traductoarelor acustice subacvatice pentru o perioadă de timp. Folosind materialul monocristal feroelectric relaxor PMN-PT pentru a studia 64 de canale ale sondei cu ultrasunete de 3,5 MHz, utilizate în echipamente medicale cu ultrasunete B și echipamente de imagistică cu ultrasunete color Doppler, sugerând că materialul cu un singur cristal feroelectric relaxor în sonarul de imagine de înaltă frecvență.

 

Film de polimer piezoelectric de traductorul acustic subacvatic sferic poate fi transformat într-o membrană flexibilă, iar traductorul poate fi proiectat în orice formă la realizarea traductorului, iar impedanța acustică a materialului este scăzută și este ușor de realizat impedanța cu apă și alte medii fluide și țesuturi biologice. Potrivire, adesea folosită pentru a face hidrofoane standard de înaltă frecvență, traductoare de înaltă frecvență, traductoare cu ultrasunete medicale, matrice conformă și matrice de traductoare compozite diversificate, Polimerul piezoelectric utilizat în mod obișnuit pentru fabricarea traductoarelor este în principal fluorură de poliviniliden (PVDF). În prezent, filmul din material polimeric piezoelectric mai atrăgător EMFi (abrevierea electro-mechanicalfil), este un fel de folie flexibilă din spumă de polipropilenă, constanta piezoelectrică este de aproximativ 10 ori mai mare decât cea a PVDF, care poate fi folosit pentru a face traductoare de înaltă sensibilitate. Structura traductorului cu peliculă subțire EMFi are un diametru al suprafeței de recepție de 35 mm, iar sensibilitatea de recepție a traductorului este mai mare de -190 dB (valoarea de referință este 1V/μPa). Acest tip de traductor poate fi folosit și în aer pentru a primi sau a emite unde sonore.

 

Introducerea noii structuri a traductorului acustic subacvatic și a diferitelor mecanisme de transducție. Materialele funcționale sunt importante în traductor, dar trebuie să fie jucate de o structură adecvată. Prin urmare, designul structural al traductorului pare a fi deosebit de important în dezvoltarea tehnologiei traductorului. important. Conform diferitelor domenii de aplicare și diverselor cerințe tehnice, sau în funcție de caracteristicile diferitelor mecanisme de transducție și materiale funcționale, au apărut diverse tipuri de traductoare unul după altul, multe dintre ele combină tehnologii multidisciplinare pentru a deschide împreună un nou teren Dificultăți tehnice pentru a îndeplini unele cerințe tehnice speciale. Traductorul hidroacustic magnetostrictiv supraconductor de temperatură înaltă este un exemplu tipic. În conținutul de mai sus al acestui articol și tipurile de traductoare care vor fi introduse mai târziu, multe sunt, de asemenea, structuri noi și mecanisme noi ale traductoarelor acustice subacvatice. Pentru a nu se repeta, această secțiune citează doar alte două exemple de proiectare de structuri noi.

 

Traductorul de tip chimbal (chimbal) este un fel de traductor cu structură nouă, similar cu traductorul de flextension. Fiecare traductor de tip chimval constă dintr-o pereche de discuri ceramice piezoelectrice PZT și un capac metalic este lipit împreună. Discul ceramic piezoelectric PZT aplică o tensiune alternativă pentru a genera vibrații radiale pentru a excita capacul metalic pentru vibrația de îndoire, iar capacul metalic ridicat al traductorului produce vibrații alternante de „expansiune-contracție”. Unde sonore ale radiațiilor. Când aceeași undă de presiune alternativă acționează asupra capacului metalic, presiunea va fi transmisă discului ceramic piezoelectric PZT, iar tensiunea alternativă este ieșită la cei doi poli ai discului ceramic, care este folosit ca traductor de recepție. Frecvența de rezonanță a traductorului de tip chimval în apă este de 16,1 kHz, iar răspunsul la tensiunea de emisie este de 130 dB (valoarea de referință este de 1μPa/V, la 1m). Figura 5 prezintă și fotografia matricei cu 9 elemente compusă din acest tip de traductor. . În traductorul piezoelectric de joasă frecvență de tip arc elicoidal, ceramica piezoelectrică este procesată într-o formă de arc elicoidal (așa cum se arată în Figura 6),Traductorul ceramic piezoelectric este polarizat în direcția tangențială și apoi se construiește o pereche de electrozi de excitație. Secțiunea neutră fără electrozi în mijloc este separată pentru a forma o pereche de electrozi cu inel exterior 1 și o pereche de electrozi cu inel interior 2 (vezi diagrama schematică mărită a unui mic fragment din Fig. 6). În acest fel, tensiunea de excitație V este aplicată perechii de electrozi, partea ceramicii piezoelectrice controlată de perechea de electrozi cu inel exterior și perechea de electrozi cu inel interior vor produce vibrații opuse (extindere sau contracție), iar mișcarea de dilatare și contracție a sistemului arc va conduce suprafața de lucru a pistonului pentru a vibra energia sonoră. Datorită rigidității scăzute a acestei structuri, are o frecvență de rezonanță scăzută și poate fi folosită ca traductor de transmisie de frecvență joasă. Când este folosit ca receptor, are și o sensibilitate ridicată în benzile de frecvență joasă. Pornind de la ecuația piezoelectrică s-a obținut relația de conversie electromecanică a acestui tip de traductor și s-au efectuat câteva lucrări de cercetare exploratorie.

 

Introducere în diferite mecanisme de conversie a energiei în traductoarele acustice subacvatice Din perspectiva conversiei energiei, traductoarele pot fi împărțite în principal în traductoare piezoelectrice care utilizează efect piezoelectric pentru a obține conversia energiei și magnetice care utilizează efect magnetostrictiv pentru a obține conversia energiei. Traductoarele retractabile, traductoarele implicate în conținutul de mai sus aparțin acestor două tipuri.