Progresul cercetării și oportunitățile de dezvoltare ale tehnologiei traductoarelor acustice subacvatice

Undele acustice sunt considerate a fi singurul purtător de informații care poate călători pe distanțe lungi în ocean. Cercetarea marine, dezvoltarea resurselor și luptele militare maritime sunt toate inseparabile de tehnologia acustică subacvatică. Dezvoltarea tehnologiei hidroacustice necesită diverse tipuri de traductoare hidroacustice pentru a oferi suport, iar misiunea traductoarelor hidroacustice este de a transmite și recepționa unde sonore sub apă, astfel încât traductoarele hidroacustice sunt cunoscute sub numele de „ochii și urechile echipamentelor hidroacustice. Îmbunătățirea și îmbunătățirea performanței tehnice complete a traductorului. Cererea urgentă din domeniul tehnologiei hidroacustice este dezvoltarea directă a traductoarelor hidroacustice analiza și rezumatul, combinate cu strategia și situația de dezvoltare a tehnologiei marine a țării mele, discută pe scurt provocările și oportunitățile de dezvoltare cu care se confruntă tehnologia actuală a traductoarelor acustice subacvatice.

 

The traductorul acustic subacvatic este un tip de senzor care realizează conversia sunetului și a altor forme de energie sau informație în mediul de apă; traductorul acustic subacvatic este echipamentul frontal al sistemului sonar și este, de asemenea, interacțiunea dintre sistemul sonar și mediul de apă pentru a face schimb de informații. window'. Domeniul de cercetare și dezvoltare a tehnologiei traductoarelor acustice subacvatice implică integrarea mai multor discipline, iar disciplinele strâns legate includ în principal: fizică, știința materialelor, matematică, mecanică, electronică, chimie, mecanică etc., astfel încât dezvoltarea traductoarelor acustice subacvatice Este strâns legată de realizările și dezvoltarea diferitelor discipline de bază, în același timp, limitată de alte discipline de bază. Judecând după deceniile de istorie de dezvoltare a traductoarelor hidroacustice din țara mea, cea mai mare motivație de dezvoltare vine din cerințele de aplicare în domeniul tehnologiei hidroacustice, dar până la sfârșitul secolului al XX-lea, dezvoltarea tehnologiei traductoarelor hidroacustice din țara mea a lipsit de un caracter general și sistematic.

 

1.1 Progresul cercetării traductoarelor de joasă frecvență

Ca răspuns la nevoile urgente de transmitere a informațiilor subacvatice cu rază ultra-lungă și dezvoltarea detectiei submarine ultra-stealth, traductoarele cu transmisie de joasă frecvență au devenit unul dintre cele mai preocupate puncte fierbinți în domeniul traductoarelor acustice subacvatice încă din secolul al XXI-lea. Banda de frecvență de lucru a sonarului străin de detecție și comunicație ultra-lungă a fost redusă la aproximativ 100 Hz. Traductoarele de joasă frecvență implică multe probleme teoretice și tehnice, care nu au fost rezolvate bine în prezent, iar acest aspect va fi în continuare punctul fierbinte al cercetării și centrul atenției în dezvoltarea viitoare. Această secțiune selectează lucrările de cercetare ale traductoarelor de joasă frecvență pentru vibrații la încovoiere și ale traductoarelor de tensiune la încovoiere și rezumă noile realizări tehnologice.

 

1.1.1 Traductor de joasă frecvență cu vibrații de îndoire

Prima problemă tehnică cu care se confruntă dezvoltarea traductoarelor subacvatice de joasă frecvență este dimensiunea geometrică. În general, frecvența de lucru a traductoarelor rezonante este invers proporțională cu dimensiunea geometrică. Adică, cu cât frecvența traductorului este mai mică, cu atât dimensiunea geometrică va fi mai mare. Vibrația poate reduce în mod eficient dimensiunea geometrică a traductoarelor de joasă frecvență. Noile modele de traductoare de vibrații încovoiate de joasă frecvență din China în ultimii 20 de ani includ în principal traductoare cu fascicul curbat și traductoare cu disc curbat.

 

(1) Traductor cu fascicul de îndoire. Proiectați un traductor transmițător de bandă largă cu fascicul cantilever cilindric (Figura 1a). Designul structurii combină caracteristicile frecvenței modale scăzute ale vibrațiilor de încovoiere și metoda de cuplare a vibrațiilor multimodale pentru a lărgi banda de frecvență. Chai Yong și colab. Se propune un traductor inel de cuplare tub-faz (Figura 1b). Prin adăugarea unui fascicul curbat la traductorul în formă de inel încrustat pentru a forma o structură de cuplare tub-grindă, modul de lucru efectiv este crescut. Utilizați cuplarea multimodală pentru a obține caracteristici de funcționare de joasă frecvență și bandă largă. Se adoptă structura de preaplin, iar capacitatea sa de a rezista la presiunea hidrostatică a fost verificată prin aplicarea efectivă a standardului submersibil de adâncime de 3 000 m. Xu și colab. a propus două scheme de proiectare pentru traductoare cilindrice de joasă frecvență (Figura 1c și d), au efectuat o serie de simulări și au dat curbele de răspuns la emisie conduse de noile materiale magnetostrictive Terfenol-D și Galfenol. Demonstrează potențialul structurii traductorului pentru aplicații cu frecvență ultra-joasă.

Figura 1 Noul design al traductorului de joasă frecvență pentru fascicul curbat (a), 0 este un fascicul fix și 1-5 sunt fascicule cilindrice cu grosimi diferite

(3) Traductor cu disc îndoit. Traductorul cu disc curbat include structuri cu trei stive, stive duble și așa mai departe. Figura 2a prezintă un traductor compact cu disc curbat compus dintr-o pereche de laminate duble. Activitatea de cercetare străină este relativ matură. Se efectuează cercetări aprofundate asupra acestei structuri de bază a traductorului cu disc curbat. Pornind de la această structură de bază, prin proiectarea camerei de lichid și îmbunătățirea modului de conducere, au fost produse câteva modele noi]. Figura 2b este un traductor cu disc curbat condus de un inel mozaic. Designul din Figura 2c folosește traductoare cu discuri curbate de diferite dimensiuni pentru a forma o matrice și utilizează diferite metode de conducere pentru a obține funcționarea în bandă largă. Figura 2d este un traductor cu disc curbat cu structură de cavitate de preaplin. Mărimea cavității lichidului este ajustată în mod corespunzător în proiectare pentru a îndeplini cerințele de performanță acustică. Este un traductor cu disc curbat condus de galfenol, care folosește o structură similară unui traductor longitudinal pentru a excita vibrația de îndoire a radiației frontale. 

Figura 2 Noul design al traductorului de joasă frecvență cu disc curbat

1.1.2 Traductor de flextension

Conceptul de traductor de flextension a început din brevetul lui Hayes în 1936. Modul de lucru de bază este că unul sau mai multe vibratoare telescopice antrenează învelișul de vibrație de încovoiere pentru a genera radiații sonore de joasă frecvență. Cercetarea și aplicarea traductoarelor de flextension în țara mea este activă încă de la sfârșitul secolului XX. Cercetătorii au proiectat traductoare de flextension cu diferite structuri. Conform structurii și metodei de excitare, traductoarele de flextension sunt împărțite în trei categorii. Această metodă de clasificare este folosită aici pentru a o introduce separat.

 

(2) Traductor de îndoire-tensiune cu structură cilindrică. Acest tip de traductor este antrenat de un vibrator telescopic longitudinal pentru a transla carcasa de vibrație de încovoiere. Carcasa vibrantă a traductorului este o structură de translație, adică o carcasă cilindrică de diferite forme, care este antrenată de unul sau mai multe vibratoare telescopice longitudinale. Inclusiv traductorul de flextensiune de tip IV și structura sa de deformare, traductor de flextension de tip VII, traductor de flextension patrulater etc. Figura 3a este o structură tipică de traductor de flextension de tip IV. A fost dezvoltat traductorul de flextension de tip IV condus de un material PMNT monocristal feroelectric relaxor. A fost dezvoltat traductorul flextensional de tip IV condus de materialul magnetostrictiv gigant de pământuri rare Terfenol-D. Figura 3b este noul design al traductorului de flextension de tip VII, care este condus de materialul magnetostrictiv gigant de pământuri rare Terfenol-D. Metoda de excitare este proiectată în cea mai largă parte a dimensiunii transversale, iar o pereche de vibratoare paralele sunt proiectate pentru a oferi o privire în profunzime asupra acestui tip de traductor. Seria de cercetări include analiză de proiectare pretensionare, modelare teoretică, analiză modală, cercetare experimentală etc. Figura 3c este un nou design îmbunătățit al traductorului flextensional de tip IV, care este similar cu îmbunătățirea proiectării traductorului flextensional de tip I la traductorul flextensional de tip II, folosind o structură eliptică cu o structură eliptică cu un traductor alungit cu ax lung, relaxant feroelectric. material PMNT, care are caracteristici de funcționare în bandă largă mai bune decât traductorul general de tip IV de flextension. Figura 3d este cel mai vechi design nou pentru îmbunătățirea traductorului flextensional de tip IV din China - traductorul flextensional tip buză de pește, care folosește o carcasă eliptică de înălțime variabilă și folosește un material super-magnetostrictiv Terfenol-D, această carcasă vibrantă cu formă specială are un efect de braț de pârghie și un efect de dublă amplificare foarte ponderat. În prezent, traductorul flextensional cu buze de pește Terfenol-D a fost serializat și proiectat într-o structură cu dublă carcasă pentru a crește și mai mult puterea de transmisie. Puterea maximă a sunetului a unui singur traductor poate ajunge la 10.000 de wați, făcându-l un traductor de transmisie de mare putere cu frecvență joasă și domestic Unul dintre tipurile de bază. Figura 3e este un traductor de flextension patrulater cu excitație ortogonală, care adoptă o îmbunătățire a designului compact, care poate adăuga mai multe materiale funcționale într-un volum limitat și poate îmbunătăți nivelul sursei de sunet de emisie. Figura 3f este un alt nou design îmbunătățit al traductorului de flextension de tip IV, similar cu îmbunătățirea designului traductorului de flextension de tip I la traductorul de flextension de tip III, care utilizează două carcase eliptice în serie de-a lungul direcției axei lungi. În ansamblu, un stivă piezoelectrică mai lungă este utilizată pentru a excita, astfel încât frecvența de rezonanță a frecvenței fundamentale a vibratorului să fie redusă și apropiată de frecvența fundamentală a vibratorului. shell, care favorizează cuplarea modală pentru a obține caracteristici de funcționare în bandă largă. Figura 3g este un nou design îmbunătățit pentru vibratorul de excitație al traductorului de flextension de tip IV. Este un traductor de flexiune de tip IV acţionat de vibratorul pliabil. Această structură combinată cu un material de carcasă cu rigiditate scăzută poate reduce în mod eficient frecvența de rezonanță.

Figura 3 Traductor de îndoire-tensiune cu structură de coloană

Este, de asemenea, cunoscut sub numele de traductor de flextension de tip gourd. Se studiază traductorul flextensional tip tărtăcuță condus de PZT și PZT+Terfenol-D. , Se efectuează analiza de simulare a parametrilor caracteristici de emisie ai excitației articulare. Figura 4c este un traductor de tensiune flexibilă cu tub concav excitat de combinația magnetostricție-piezoelectrică. În proiectare, două elemente de excitație, Terfenol-D și PZT, sunt utilizate pentru a forma un vibrator longitudinal compozit. Figura 4d prezintă traductorul de flexiune cu cilindru concav. Acesta este excitat de stiva multi-piezoelectrică. Sub premisa că învelișul rămâne neschimbat și volumul total al materialului ceramic piezoelectric este același, analiza diferitelor numere (1-4) unități de stivă piezoelectrice Pentru impactul asupra performanței traductorului, a fost proiectat și dezvoltat un traductor de tensiune încovoială cu tub concav excitat de o stivă piezoelectrică triplă.

Figura 4 Traductor de îndoire-tension cu corp rotativ de tip lung

Traductor de îndoire-tension cu corp rotativ de tip plat. Acest tip de traductor este antrenat de un vibrator cu expansiune radială pentru a antrena o carcasă de vibrație de îndoire simetrică rotațional. Carcasa vibrantă a traductorului este o structură simetrică rotațional, în general o pereche de capace sferice convexe sau concave (sau capace sferice) sau Este compusă dintr-un disc etc., antrenat de un inel cu expansiune radială sau un vibrator cu disc, incluzând traductor de flex-tension în formă de V, traductor flex-tension în formă de VI, traductor flex-tension, flex-tension, etc. Traductor de flexiune de tip V de dimensiuni mici - traductor de flexiune de tip chimbal și disc. Figura 5a este un traductor de flextension în formă de V de dimensiuni mici. O pereche de capace metalice sunt antrenate de un disc ceramic piezoelectric care vibrează radial pentru a produce vibrații de încovoiere; Figura 5b este un traductor de flextension în formă de disc, care utilizează PZT- în proiectare. 4 Inelul ceramic piezoelectric polarizat radial antrenează discul curbat. Discul este împărțit în 16 sectoare egale de-a lungul fantei radiale pentru a reduce cuplarea vibrațiilor laterale. Traductoarele de flextension ale acestor două forme structurale au caracteristicile frecvenței de rezonanță scăzute, dimensiuni geometrice mici și eficiență electroacustică ridicată.

Figura 5 Traductor de îndoire-tension cu corp rotativ de tip plat

1.2 Progresul cercetării transductoarelor de bandă largă de înaltă frecvență

Pe lângă distanța de detectare ca indicator important al echipamentelor acustice subacvatice, o altă direcție de dezvoltare este obținerea cantității maxime de informații despre țintă ca scop principal. De exemplu, sonar cu imagini de înaltă rezoluție, comunicare acustică subacvatică cu viteză mare de date etc. Necesită funcționare în modul de înaltă frecvență, iar banda de frecvență de lucru este cât mai largă posibil. Prin urmare, traductorul acustic subacvatic de bandă largă de înaltă frecvență a devenit o componentă cheie a sistemului, similar cu optica. Lentila sistemului de imagistică este aceeași.

 

Figura 6a este a traductor de bandă largă de înaltă frecvență cu coloană ceramică piezoelectrică și strat potrivit. Se studiază raportul dintre distanța ceramică piezoelectrică și dimensiunea ceramicii și efectul materialelor de umplutură asupra lățimii de bandă. Traductorul de bandă largă de înaltă frecvență cu strat dublu de potrivire proiectat în Figura 6b utilizează coloane ceramice piezoelectrice pentru a forma o matrice și apoi adaugă o structură de strat dublu de potrivire din strat metalic și material compozit rășină pentru a obține performanțe de emisie acustică în bandă largă de înaltă frecvență. Figura 6c prezintă traductorul compozit piezoelectric de bandă largă de înaltă frecvență proiectat 1-1-3, care constă din stâlpi piezoelectrici conectați unidimensional și stâlpi metalici conectați unidimensionali aranjați în paralel într-o matrice polimerică conectată tridimensională. Se formează materialul compozit piezoelectric trifazat și a fost dezvoltat traductorul de transmisie în bandă largă de înaltă frecvență. Figura 6d prezintă traductorul de bandă largă de înaltă frecvență compozit piezoelectric proiectat 1-3, care utilizează efectul de cuplare al modului de vibrație de grosime și modul de vibrație transversală de ordinul întâi pentru a realiza caracteristicile de funcționare în bandă largă. Figura 6e prezintă traductorul de bandă largă de înaltă frecvență inel compozit piezoelectric proiectat. Inelul compozit piezoelectric se obține prin tăierea radială a inelului ceramic piezoelectric și turnarea rășinii epoxidice. Apoi, se obțin două inele compozite piezoelectrice cu grosimi diferite de perete. Inelul compozit este suprapus pentru a forma un traductor cu rezonant dublu radiant radial.

 

Figura 6 Traductor de bandă largă de înaltă frecvență