Inovație tehnologică în dezvoltarea traductoarelor acustice subacvatice(1)

Inovație tehnologică în dezvoltarea traductoarelor acustice subacvatice

 

 

70,8% din suprafața pământului este oceanul. Oceanul vast este cea mai mare comoară de resurse de pe pământ, iar oceanul este, de asemenea, o poziție importantă pentru luptele militare internaționale. Cercetarea, dezvoltarea și utilizarea oceanului sunt inseparabile de undele sonore. Undele sonore sunt singurul purtător de informații care poate călători pe distanțe lungi în ocean. Explorarea și dezvoltarea resurselor marine, traductorul de comunicații subacvatice și navigarea navelor, detectarea și recunoașterea țintelor subacvatice, monitorizarea mediului și prognoza dezastrelor naturale și așa mai departe se bazează pe tehnologia acustică subacvatică pentru a realiza. Dezvoltarea tehnologiei acustice subacvatice necesită suportul tuturor tipurilor de traductoare acustice subacvatice. Misiunea traductoarelor acustice subacvatice este de a transmite și recepționa unde sonore sub apă, de aceea se numește „ochi și urechi ale echipamentelor acustice subacvatice”, despre care se poate spune că sunt traductoare acustice subacvatice. Nașterea lui „H” marchează începutul dezvoltării tehnologiei hidroacustice. Progresul tehnic al traductoarelor hidroacustice este o condiție prealabilă importantă și o bază pentru dezvoltarea rapidă a tehnologiei hidroacustice(1)

 

The traductorul acustic subacvatic nu este un simplu subiect izolat, ci un domeniu tehnic multidisciplinar. Subiectele strâns legate includ în principal: fizică, știința materialelor, matematică, mecanică, electronică, chimie, științe mecanice etc., deci acustica subacvatică Deși traductorul are doar o istorie de peste o sută de ani de dezvoltare, acum a devenit un domeniu vibrant. Nevoia urgentă din domeniul tehnologiei hidroacustice este forța motrice directă pentru dezvoltarea traductoarelor hidroacustice, iar dezvoltarea materialelor funcționale și progresul tehnologic reprezintă cea mai importantă bază materială pentru dezvoltarea traductoarelor hidroacustice. De-a lungul istoriei dezvoltării traductoarelor hidroacustice, pentru a răspunde în cea mai mare măsură cerințelor tehnice din ce în ce mai mari din domeniul hidroacusticii, materialele funcționale corespunzătoare sunt în permanență actualizate. Oamenii au efectuat cercetări de aplicații speciale în jurul caracteristicilor diferitelor materiale funcționale și au fost propuse noi tehnologii și noi structuri, care au îmbunătățit și îmbunătățit performanța tehnică cuprinzătoare a traductorului, ceea ce a permis un flux nesfârșit de rezultate inovatoare ale cercetării asupra traductorului. Autorul selectează câteva exemple tipice de cercetare de traductoare de lansare, analizează și rezumă ideile inovatoare ale acestor lucrări de cercetare din mai multe unghiuri diferite și speră să ofere tinerilor savanți anumite îndrumări și iluminare și să exploreze în mod activ aspectele profunde ale cercetării clasice.

 

1. Inovație tehnică a traductorului acustic subacvatic bazat pe materiale funcționale

 

În 1915, Paul Langevin din Franța și alții au folosit un transmițător condensator și un receptor de particule de carbon pentru a efectua experimente acustice subacvatice. Aceste două dispozitive de transmisie și recepție ar trebui să fie traductoare acustice subacvatice primitive; 1917 ～ 1918 Langevin Zhiwan a proiectat și îmbunătățit traductorul cu cuarț. Vibratorul său este compus din mai multe plăci piezoelectrice de cuarț cuprinse între două plăci groase de oțel. Această structură se numește traductor Langzhiwan. Deoarece cuarțul natural nu poate satisface cererea din ce în ce mai mare, s-a constatat că sarea Rochelle cu cristale piezoelectrice sintetice solubile în apă are un efect piezoelectric mai puternic decât cuarțul, dar problema sa de stabilitate limitează domeniul de aplicare, iar piezoelectricitatea este ușor inferioară. Cristalele de fosfat dihidrogen de amoniu (ADP), datorită proprietăților lor relativ stabile, au fost utilizate pe scară largă în al Doilea Război Mondial. În 1920, efectul magnetostrictiv a fost aplicat în traductoarele acustice subacvatice; în 1925 au fost proiectate și aplicate traductoare magnetostrictive cu nichel; în 1931, studiul aprofundat al foilor subțiri de nichel a dus la dezvoltarea rapidă a traductoarelor magnetostrictive. Și a înlocuit treptat traductoarele de cristal piezoelectrice; în 1944, s-a descoperit că ceramica cu titanat de bariu are o puternică piezoelectricitate după polarizare, iar pierderea sa este mult mai mică decât cea a materialelor magnetostrictive. Mai târziu, traductoare ceramice piezoelectrice de titanat de bariu S-a dezvoltat rapid; ceramica de titanat de zirconat de plumb polarizat (PZT) descoperită în 1954 are o piezoelectricitate mai puternică. Până în prezent, ceramica piezoelectrică PZT este încă principalele materiale funcționale ale traductoarelor acustice subacvatice.

 

În anii 1970, Dr. Clark AE din Statele Unite a dezvoltat aliajul ternar magnetostrictiv uriaș Terfenol-D. Din anii 1990, materialele monocristaline feroelectrice de relaxare PZN-PT și PMN cu proprietăți electrice de înaltă tensiune și densitate mare de energie -PT au fost descoperite unul după altul, iar noi descoperiri au fost făcute în cercetarea aplicativă a acestor trei materiale. Această secțiune se va concentra pe rezultatele cercetării acestor noi traductoare cu materiale funcționale.

 

⒈O nouă generație de materiale magnetostrictive și traductoarele acestora

Noua generație de materiale magnetostrictive include materiale din aliaje cu pământuri rare și materiale din aliaje cu metale rare. Efectul magnetostrictiv gigant al materialelor din aliaje cu pământuri rare a fost descoperit pentru prima dată în condiții de temperatură scăzută. Cea mai mare tulpină magnetostrictivă a materialului Tb0.6Dy0.4 la 77K este de 0,65%, iar cea mai mare tulpină magnetostrictivă a Terfenol-D la temperatura camerei este de 0,25%. Există documente care arată că a fost dezvoltat un traductor longitudinal magnetostrictiv cu dublu piston, acţionat de o bobină supraconductoare. Tija magnetostrictivă din aliaj de pământuri rare (terbiu-disprosiu) este plasată într-o cameră de aer condiționat (temperatura 50-60K), iar turnul de răcire este circulat și răcit de turnul de răcire al frigiderului. În cameră, o bobină de material supraconductor oferă un câmp magnetic de polarizare DC și un câmp magnetic de excitație pentru a excita tija magnetostrictivă pentru a genera vibrații de întindere și a o transmite suprafeței radiante de tip piston prin piesa de tranziție mecanică. Suprafața radiantă de tip piston împinge mediul de apă pentru a genera unde de presiune pentru radiație. 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 este de 430 Hz, nivelul maxim al sursei de sunet este de 181,4 dB, iar eficiența este de aproximativ 25%. Acest traductorul hidrofon subacvatic complică procesul de fabricație pentru a obține condiții de lucru la temperatură scăzută. În ultimii ani, oamenii sunt dispuși să folosească materialul Terfenol-D care funcționează la temperatura camerei pentru a simplifica procesul de fabricație, obținând în același timp performanțe excelente de radiație cu o nouă structură.

 

Este traductorul transmițător octogonal condus de Terfenol-D, completat de Butler, egal cu 1980. 16 tije de pământuri rare sunt aranjate în două straturi și 8 tije de pământuri rare din fiecare strat sunt conectate într-un octogon printr-un bloc de tranziție în formă de pană și formează un circuit magnetic închis, blocul de tranziție este conectat cu unghiul de radiație apropiat de suprafața radiantă a 45° și partea centrală a unghiului 45°. tija de pământuri rare este precomprimată prin fire de tensiune de mare rezistență între blocurile de tranziție. Pretensionarea internă a tijei de pământ rare este de aproximativ 13,8 MPa, iar frecvența de rezonanță a traductorului în apă La 775 Hz, s-au comparat antrenarea neliniară în condiția câmpului magnetic de polarizare DC și condiția câmpului nepolarizat, iar nivelul sursei de sunet de 189,8 dB în condiția câmpului magnetic de polarizare DC și 196.