Inovație tehnologică în dezvoltarea traductoarelor acustice subacvatice(2)

     Inovație tehnologică în dezvoltarea traductoarelor acustice subacvatice(2)

Aliajul fier-galiu (Galfenol) este un nou tip de material magnetostrictiv care a apărut în ultimii ani. Tensiunea sa magnetostrictivă este între nichel și Terfenol-D, la 300ppm (ppm este o microvariabilă, reprezentând ΔL/L=10- 6) Mai sus, în comparație cu Terfenol-D, are avantajele unei permeabilitate relativă mai mare (>100), prelucrabilitate bună, stabilitate la temperatură ridicată și rezistență ridicată la tracțiune. Deoarece materialul din aliaj fier-galiu are performanțe bune de prelucrare și rezistență mecanică ridicată, acesta poate fi utilizat pentru proiectarea și procesarea carcasei traductorului de flextension. Figura 2b este un exemplu de cercetare al unui traductor de flexiune cu baril concav cu o carcasă din aliaj fier-galiu. The traductorul acustic subacvatic este antrenat Vibratorul este compus din elemente de aliaj fier-galiu de Φ20mm×40mm și foi de magnet permanent neodim-fier-bor și formează un circuit magnetic închis cu carcasa radiantă. Rezultatele experimentale arată că răspunsul curentului de emisie al traductorului este de 168,4 dB (frecvență de rezonanță 1750 Hz), ceea ce este mai bun decât duraluminiul de aceeași dimensiune geometrică. Traductorul carcasei (frecvența de rezonanță 1900Hz) este îmbunătățit cu aproape 5dB, ceea ce reflectă avantajele de design ale carcasei active.

 

Publicat în 2000, rezultatele cercetării traductorului longitudinal de bandă largă cu excitație a articulației magnetostrictiv-piezoelectrice. Traductorul longitudinal este condus împreună de unitatea Terfenol-D și stiva PZT, care realizează funcționarea în bandă largă a cuplajului de vârf de rezonanță dublă de 1,8 KHz și 3,5 KHz. Caracteristici, literatura de specialitate a raportat, de asemenea, că matricea plană de mare putere 4×4 compusă din acest tip de traductor, nivelul sursei de sunet al matricei este mai mare de 225 dB în banda de frecvență 1,5-6 kHz.

 

Traductor longitudinal de antrenare cu mai multe unități Terfenol-D, autorul a proiectat ingenios unitatea de antrenare, structura sa folosește un manșon cu magnet permanent pentru a aplica un câmp magnetic de polarizare pentru a separa câmpul magnetic static de circuitul magnetic dinamic și magneticul dinamic. este diagrama fizică a unității de antrenare. 4 astfel de unități de antrenare sunt conectate mecanic în serie pentru a forma o înlocuire longitudinală de joasă frecvență cu capacul frontal și masa cozii. Dispozitivul de energie, șurubul central este precomprimat; Fig. 3c este imaginea reală a traductorului după ambalare, frecvența de rezonanță a traductorului este de 1,6 kHz, iar nivelul sursei de sunet este de 177 bB.

 

Designul circuitului magnetic al traductorului magnetostrictiv este foarte important. Butler a luat ca exemplu traductorul de flexiune cu baril concav și a comparat efectele de lucru a șase scheme de circuite magnetice prin analiza cu elemente finite. Structurile circuitelor magnetice din Fig. 4a-f sunt, respectiv, .tijă de pământ rare continue plus capac și manșon de accesoriu permeabil magnetic din fier pur, bară continuă de pământ rare plus capac de capăt pentru accesoriu permeabil de fier pur, bară de pământ rare continuu fără accesoriu permeabil de fier pur, combinație de tijă de pământ rare și piesă de magnet permanent plus fier pur permeabil pentru fier pur și combinație de tijă de capăt și piesa de atașament magnetică pură și piesa de capat magnetică pură. capac de capăt permeabil al accesoriului, tijă de pământ rare și combinație de piese cu magnet permanent fără accesoriu magnetic permeabil cu fier pur, coeficienții efectivi de cuplare electromecanic sunt calculați a fi 0,33, 0,30, 0,27, respectiv 0,23, 0,21 și 0,20, indicând faptul că tija de cuplare eficientă a coeficientului de cuplare de pământ rare este un coeficient de cuplare electromecanică continuă. o tijă de pământuri rare combinată cu o foaie de magnet permanent. Capacele și manșoanele accesoriilor permeabile magnetice din fier pur au un anumit efect asupra îmbunătățirii performanței de cuplare electromecanică a vibratorului cu pământuri rare, dar pentru antrenarea materialelor cu permeabilitate relativă scăzută, cum ar fi Terfenol-D, îmbunătățirea este mică, iar coeficientul efectiv de cuplare electromecanic este determinat de 0,20 până la 0,273 sau 0,3273 sau 0,03273 sau .

 

 

2.O nouă generație de materiale piezoelectrice și traductoarele acestora

Până în prima jumătate a secolului al XX-lea, toate materialele piezoelectrice erau monocristale. Titanatul de bariu ceramic piezoelectric policristalin a fost descoperit pentru prima dată în anii 1950, urmat de titanatul de zirconat de plumb (PZT) în anii 1960. Performanța acestor ceramice piezoelectrice o depășește cu mult pe cea a monocristalelor timpurii, iar PZT a devenit de atunci principalul material funcțional al traductoarelor acustice subacvatice.

La mijlocul anilor 1990, au fost descoperite noi niobat de plumb de magneziu cu niobat de magneziu-titanat de plumb (PMN-PT) și niobat de zinc de plumb-titanat de plumb (PZN-PT) cu un singur cristal piezoelectric, aceste două materiale piezoelectrice monocristastre. creșterea puterii și lărgirea benzii de frecvență în direcția traductorului acustic subacvatic. În ultimii ani, materialul monocristal piezoelectric de plumb ternar niobat de indiu-plumb niobat de magneziu-titanat de plumb (PIN-PMN-PT) și plumb dopat cu mangan niobat de indiu-plumb de niobat de magneziu-titanat de plumb (Mn: PIN-PMN-PT), care îmbunătățește și mai mult caracteristicile de lucru în condiții de câmp electric ridicat.

Aplicarea materialelor piezoelectrice monocristaline precum PMN-PT în domeniul acusticii subacvatice a început de la proiectarea și dezvoltarea traductoarelor longitudinale. Meyer și alții au efectuat o serie de lucrări de cercetare, inclusiv o analiză detaliată a traductoarelor longitudinale PMN-PT cu 33 de moduri și 32 de moduri și un studiu comparativ cu PZT-8. Figura 5a este un traductor longitudinal cu 33 de moduri condus de un stivă de 10 plachete PZT-8, Figura 5b este un traductor longitudinal cu 33 de moduri condus de un stivă de 3 plachete PMN-PT, iar Figura 5c este un 4 PMN-PT Benzile lungi formează un traductor longitudinal în formă de „gura” Rezultatele arată că, atunci când PMN-PT și PZT-8 sunt folosite pentru a face traductoare longitudinale cu același nivel de frecvență și sursă de emisie și alți parametri, cristalul PMN-PT Lungimea stivei este de numai aproximativ 30% din PZT-8, ceea ce arată avantajele tehnice ale materialelor piezoelectrice monocristal pentru a face traductoare mici; modul 32 poate face ca materialele monocristastre să fie tăiate în funcție de cea mai bună orientare de performanță și, în același timp, să folosească combinația de benzi lungi. Poate evita problemele tehnice, cum ar fi creșterea waferelor unice de dimensiuni mari, poate îmbunătăți fiabilitatea și consistența traductorului și are avantaje evidente pentru aplicațiile cu sonar ușoare de frecvență medie și înaltă.

Un singur cristal a dezvoltat a traductor de transmisie cilindric compus din inele incrustate. Fiecare inel este alcătuit din 12 benzi în formă de pană, iar 9 inele sunt asamblate strâns în direcția axială pentru a forma un cilindru. Dimensiunea geometrică (Φ20.3mm×66mm) Este semnificativ mai mică decât traductorul ceramic piezoelectric de aceeași frecvență și realizează caracteristicile de lucru în bandă largă de mai mult de 2,5 octave. Un alt document folosește un singur cristal PMN-PT pentru a dezvolta un traductor de flexiune cu baril concav. Vibratorul de antrenare al traductorului este compus dintr-o stivă de 16 elemente polarizate axial Φ28mm×Φ10mm×4.8mm și o carcasă de vibrație din aliaj de titan. Răspunsul la tensiunea de emisie este îmbunătățit cu mai mult de 5 dB în comparație cu traductorul cu aceeași structură din material PZT-4.

Temperatura de tranziție de fază trigonal-tetragonală a monocristalului PMN-PT este relativ scăzută, ceea ce limitează domeniul de aplicare într-o anumită măsură, în special pentru aplicații în condiții de mare putere. Plumbul ternar niobat de indiu-plumb niobat de magneziu-titanat de plumb (PIN-PMN-PT) și monocristalul dopat cu mangan (Mn: PIN-PMN-PT) fac ca temperatura de tranziție de fază a relaxorului monocristal feroelectric să fie evidentă. Crește și reduce foarte mult factorul de pierdere în același timp: temperatura de tranziție de fază este redusă de la 1925°C, scade de la 1925°C. 0,26 până la 0,15, iar factorul de pierdere este doar 1/2 din ceramica piezoelectrică obișnuită PZT-4. Există, de asemenea, literatură care utilizează aceste două noi cristale monocristale, PMN-PT și PZT-4, pentru a realiza traductoare longitudinale și a compara caracteristicile lor de funcționare de mare putere, ceea ce demonstrează că noua formulă de material monocristal este mai potrivit pentru condiții de mare putere și ciclu de lucru mare. Nivelul sursei de sunet al traductorului PMN-PT este cu 5 dB mai mare decât cel al traductorului PMN-PT la frecvența de rezonanță. În comparație cu ceramica piezoelectrică PZT-4, nivelul sursei de sunet și capacitatea de putere la frecvența de rezonanță sunt practic echivalente, iar lățimea de bandă de lucru a crescut de 1 dată, iar nivelul maxim al sursei de sunet în afara frecvenței de rezonanță este crescut cu aproximativ 6dB.

 

Cercetarea aplicativă a materialului monocristal PMN-PT se concentrează în principal pe sistemul medical de imagistică cu ultrasunete de înaltă frecvență. Iată doar un caz de cercetare de aplicare a traductorului hidro-acustic Cymbal, folosind elementul PMN-PT de Φ12.7mm×1mm pentru a conduce titan cu grosimea de 0.25mm. Capacul de vibrație de îndoire din aliaj a dezvoltat un traductor de tensiune de îndoire de dimensiuni mici de tip Chimbal, care are un răspuns la tensiunea de emisie cu 6dB mai mare decât traductorul PZT-4 cu aceeași structură de antrenare.

 

2. Inovație tehnică a structurii și tehnologiei traductorului acustic subacvatic

⒈Inovație tehnică pentru îmbunătățirea caracteristicilor fasciculului

În sonarul modern, sunt utilizate în general diverse rețele de bază pentru a obține caracteristicile fasciculului necesare. Cu toate acestea, atunci când deschiderea de instalare a traductorului este limitată și există cerințe speciale pentru caracteristicile fasciculului, trebuie luate măsuri tehnice pentru a controla caracteristicile fasciculului traductorului. Principalele abordări tehnice pentru îmbunătățire includ: aplicarea deflectoarelor, tehnologia de suprapunere modală folosind dipoli și multipoli etc. Această secțiune selectează câteva exemple tipice de cercetare, concentrându-se pe analiza și rezumatul utilizării metodelor de suprapunere modală pentru a îmbunătăți caracteristicile fasciculului traductorului Realizări tehnice.

⑴Folosirea deflectorului pentru a îmbunătăți caracteristicile fasciculului traductorului

În sistemul sonar timpuriu, se folosea în general un traductor independent. Când directivitatea nu poate îndeplini cerințele, reflectarea deflectorului este utilizată pentru a controla fasciculul de transmisie, care include în principal trecerea printr-o deflector plat, un deflector cilindric și un deflector sferic. Placă și deflectoare conice pentru a modifica directivitatea traductoarelor cilindrice, a traductoarelor cu piston, a traductoarelor sferice etc., într-o anumită măsură, îndeplinesc nevoile de control al fasciculului de transmisie unidirecțională, așa cum se arată în Figura 6, utilizarea de conuri duble.

 

Există o literatură conform căreia traductorul de flextension de tip IV de 3 kHz este plasat lângă focarul deflectorului reflector parabolic, astfel încât traductorul de flextension de tip IV cu propria sa nedirecționalitate poate atinge caracteristici de radiație unidirecțională. Experimentul obține un unghi de deschidere cu un singur unghi de 83°. Pentru fascicul, diferența de răspuns față și spate este de 21 dB.

⑵ Traductor direcțional combinat modal

Diferite traductoare structurale au diferite moduri de vibrație cu mai multe ordine. Traductoarele rezonante funcționează în general pe baza modului de vibrație a frecvenței fundamentale. Diferitele moduri de vibrație vor corespunde metodelor lor eficiente de excitare, astfel încât poate fi utilizată o combinație de metode de excitare. Realizați conducerea suprapunerii a mai multor moduri de vibrație, astfel încât să atingeți scopul de a schimba caracteristicile fasciculului de transmisie. Principalele moduri care pot modifica caracteristicile fasciculului traductorului prin combinație includ modul monopol, modul dipol și modul cvadrupol etc. Aceste moduri de bază pot realiza o varietate de modele de directivitate prin combinație ponderată. În această secțiune, combinată cu rezultatele din literatura de specialitate, sunt realizate o scurtă analiză și un rezumat al tehnologiei de procesare și a metodelor de excitare a diferiților traductoare structurale pentru a realiza suprapunerea modală.

Lucrul cu excitație multimodă adoptă, în general, metoda excitației partiției, cum ar fi: tubul ceramic piezoelectric sau carcasa sferică adoptă adesea metoda electrodului divizat, vezi Figura 7a, b; traductor poligon magnetostrictiv ( inel), adoptă excitarea independentă a marginilor.

 

Butler și colab. a proiectat și dezvoltat un „transductor modal”, folosind încă ideea de proiectare a excitației partiției, dar depășind limitarea diviziunii componentelor independente, folosind 8 vibratoare longitudinale independente de 1/4 pentru a împărți masa cozii, fiecare traductor. Dimensiunea geometrică a traductorului nu este restricționată de condițiile de proces ale elementelor independente, iar direcția longitudinală a structurii precomprimate este adoptată în același timp. Vibratorul are avantaje tehnice pentru proiectarea traductoarelor de transmisie direcțională de joasă frecvență și putere mare. Figura 8 prezintă formele de bază ale vibrațiilor modale ale „transductorului modal”. Traductoarele modale bazate pe ceramică piezoelectrică PZT-8, un singur cristal PMN-PT și materiale magnetostrictive gigant Terfenol-D au fost proiectate și respectiv dezvoltate. A obținut un fascicul de transmisie direcțional cardioid cu un indice de directivitate de 6 dB și o diferență de 25 dB în răspunsul față-spate.

 

Este un alt tip de traductor de emisie direcțională de joasă frecvență și putere mare - un traductor de flextension excitat în zonă. În proiectare, stiva piezoelectrică (sau vibratorul magnetostrictiv) al traductorului de flexie-tensiune este supusă excitației zonei, folosind Combinația modurilor monopol și dipol este suprapusă pentru a forma un fascicul de emisie direcțională cardioid. Figura 9a este un traductor de flextension de tip IV cu directivitate de 900 Hz, iar Figura 9b este un traductor de flextension de tip VII de directivitate de 3 kHz.

Literatura studiază un traductor cilindric multimod de bandă largă cu o placă deflectoare (prezentat în Figura 10). Electrozii tubului cilindric ceramic piezoelectric sunt împărțiți în mod egal în două grupuri și excitați independent pentru a obține un monopol (mod 0) și un dipol (mod 1), apoi cooperează cu deflectorul pentru a realiza emisia direcțională unilaterală. Lucrarea de cercetare folosește și relația de fază dintre moduri pentru a proiecta un amplificator de putere independent și un circuit de reglare, prin frecvența joasă „0+1” și frecvența înaltă „0 + 1”. －1' Controlul combinației modale realizează caracteristici de lucru în bandă largă. Traductorul adoptă 4 tuburi rotunde piezoelectrice PZT-4 de Φ38.2mm × Φ31.8mm × 19mm în direcția înălțimii, iar dimensiunea după ambalare este Φ48mm × 79mm. Deflectorul este format din două bucăți de plută laminată cu o suprafață de cauciuc groasă. de 6 mm, iar răspunsul la tensiunea de emisie fluctuează cu 6 dB în banda de frecvență de 26-46 kHz.

2. Inovație tehnică pentru îmbunătățirea caracteristicilor frecvenței

Odată cu extinderea multidirecțională a direcției de aplicare a tehnologiei acustice subacvatice, gama de frecvență de lucru a sistemelor sonare active a fost extinsă în mod continuu. Printre acestea, frecvența de lucru a sonarului de imagine de înaltă rezoluție a fost crescută la 106 Hz, iar banda de frecvență de lucru a sonarului de detectare și comunicare pe distanțe ultra lungi este și mai mică. Sub 100 Hz; pe de altă parte, dezvoltarea procesării informațiilor sonar necesită ca banda de frecvență de lucru a traductorului să fie cât mai largă posibil. Prin urmare, traductoarele de joasă frecvență și traductoarele de bandă largă au atras multă atenție în domeniul acustic subacvatic în ultimii ani, iar rezultatele cercetării sunt destul de bogate. Cu toate acestea, există încă multe probleme teoretice și tehnice care nu au fost rezolvate bine. Acest aspect va fi în continuare punctul fierbinte al cercetării și centrul dezvoltării viitoare. Această secțiune selectează activitatea de cercetare în direcția traductoarelor de joasă frecvență și a traductoarelor de bandă largă și le analizează și le rezumă. Idei inovatoare și noi realizări tehnologice.

⑴ Design inovator al traductorului de joasă frecvență

①Transductor de joasă frecvență cu vibrații de îndoire

Prima problemă tehnică cu care se confruntă dezvoltarea traductoarelor 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 este mai mare, cum ar fi conversia longitudinală de 500 Hz. Lungimea dispozitivului energetic este de aproximativ 3m. Vibrația de îndoire poate reduce în mod eficient dimensiunea geometrică a traductoarelor de joasă frecvență. Printre acestea, traductoarele ale căror dispozitive funcționale participă direct la vibrația de îndoire includ în principal traductoare cu fascicul de îndoire, traductoare cu disc de îndoire etc.

Figura 11a prezintă o structură tipică de grinzi de îndoire cu trei stivuite. O bucată de benzi ceramice piezoelectrice este lipită în partea de sus și de jos a grinzii de îndoire. Când una dintre benzile ceramice piezoelectrice se întinde și cealaltă se contractă atunci când este excitată, fasciculul de metal din mijloc va produce vibrații de îndoire. Acest tip de conversie a energiei Dispozitivul trebuie să fie expus la apă pe o parte pentru a radia unde sonore, astfel încât, de obicei, mai multe fascicule curbe sunt combinate pentru a forma o cavitate de aer, așa cum se arată în Figura 11b, fiecare suprafață radiantă vibrează în fază.

 

Un principiu de lucru similar se numește traductor cu disc curbat cu o structură de disc, care include și o structură cu trei straturi și dublu laminată. Figura 11c prezintă un traductor compact cu disc curbat compus dintr-o pereche de foi dublu laminate. (Bender). Analiza sistemului Delany a cercetat caracteristicile de funcționare de joasă frecvență, de dimensiuni mici și de mare putere ale lui Bender.

Dezvoltarea traductoarelor de joasă frecvență cu vibrații de încovoiere include, de asemenea, un nou traductor toroidal divizat în structură (prezentat în Figura 12). Traductorul toroidal divizat poate fi considerat un traductor special cu fascicul de îndoire. Structura originală a fost propusă de Harris în 1957. Grinda inelară compozită a fost compusă dintr-un inel ceramic piezoelectric interior și un inel metalic exterior. Modelarea și analiza traductorului s-a bazat pe „modelul diapasonului” prezentat în Figura 12b, iar elementul de antrenare a fost ajustat la o structură divizată. Traductorul cu inel divizat poate fi proiectat cu o dimensiune mai mare, iar masa poate fi ajustată prin distribuția grosimii-rigiditate pentru a obține optimizarea frecvenței de operare și a caracteristicilor de radiație, așa cum se arată în Figura 12c.

 

②Transductor de îndoire-tensiune

Conceptul de traductor flextensional a pornit de la brevetul lui Hayes în 1936. După ce Toulis a publicat brevetul pentru traductorul flextensional de tip IV în 1966, cercetarea și aplicarea traductorului flextensional au început să fie active și au existat mai mult de jumătate dintre ele până acum. În secolul istoriei dezvoltării , s-au născut diverse forme structurale de traductoare de flextension, iar principiile lor de lucru și procesele structurale sunt pline de idei de design inovatoare. Nu le putem introduce unul câte unul în ordinea cronologică a dezvoltării lor, ci doar traductoarele de flextension. Structura și metodele de stimulare ale companiei sunt împărțite în următoarele trei categorii, care sunt analizate și sintetizate pe scurt.

△Transductor 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, așa cum se arată în Figura 13. Învelișul vibrator al traductorului este o structură de translație, adică o suprafață cilindrică de diferite forme, condusă de unul sau mai multe vibratoare longitudinale telescopice, a este un traductor de flexiune de tip IV, dispozitiv de tensiune VII, b este un traductor de tensiune de tipul c. Traductor de tensiune la încovoiere „în formă de stea” acţionat de o stivă piezoelectrică ortogonală şi un traductor de tensiune la îndoire „în formă de stea” acţionat de un vibrator magnetostrictiv patrulater. Deoarece acest tip de traductor este ușor de proiectat un vibrator cu excitație partiționată, traductorul direcțional de flextension descris mai sus alege în general acest tip de structură.

△Transductor de îndoire-tensiune cu corp lung rotativ. Acest tip de traductor este acționat de un vibrator telescopic longitudinal pentru a antrena o carcasă de vibrație de îndoire simetrică rotațional, așa cum se arată în Figura 14. Carcasa vibratoare a traductorului este o structură simetrică rotațional, care include o serie de grinzi cilindrice distribuite de-a lungul circumferinței, care sunt în general antrenate de un vibrator telescopic longitudinal. Figurile 14a și b sunt formele convexe ale traductorului de flextension de tip I. Structura și structura concavă; după cum se arată în Figura 14c, vibratorul de excitaţie longitudinală al traductorului este prelungit în direcţia axială pentru a creşte volumul materialului funcţional pentru a se dezvolta într-un traductor de flextension de tip II; după cum se arată în Figura 14d, mantaua de vibrație la încovoiere este proiectată sub formă de două sau mai multe secțiuni, este dezvoltată într-un traductor de înflexiune de tip III. Atât traductoarele de tip II, cât și cele de tip III au structuri concave corespunzătoare.

△Transductor de îndoire-tensiune cu corp rotitor plat. Acest tip de traductor este antrenat de un vibrator cu expansiune radială pentru a antrena o carcasă de vibrație de îndoire simetrică rotațional, așa cum se arată în Figura 15. Carcasa vibratoare a traductorului este o structură simetrică rotațional, în general o pereche de coroane sferice convexe sau concave (sau coroane sferice), care arată un inel sau un inel vibrator, care se extinde prin radiator. Driver traductor de flextension de tip V, b este un traductor de flextension de tip V acţionat de plachete, c este un traductor de flextension de tip VI, d şi e sunt traductoare de flextension mici dezvoltate pe baza structurii b Dispozitivul se numeşte traductor Cymbal.

△ Traductor de joasă frecvență cu structură cavitate. Rezonatorul Helmholtz este forma de bază a traductorului acustic subacvatic al structurii cavității, așa cum se arată în Figura 16. a, b și c sunt cele trei structuri de bază ale rezonatoarelor Helmholtz, care utilizează excitația tubului ceramic piezoelectric, excitația discului de îndoire și excitarea bilei ceramice piezoelectrice. Rezonatoarele Helmholtz au în general o bandă îngustă de frecvență de lucru, iar d este utilizat pe baza b Suprafețele duble de lucru ale discului curbat excită cavitățile rezonante de diferite volume pentru a realiza operația de rezonanță dublă. Literatura de specialitate a stabilit un model de analiză a rezonatorului Helmholtz mai complet și a analizat relația dintre caracteristicile de lucru și parametrii structurali ai rezonatorului Helmholtz de 300 HZ. Morozov și colab. a proiectat o sursă de sunet pentru orgă subacvatică (prezentată în Figura 17). Designul din figura 17a realizează reglarea frecvenței prin mișcarea manșonului pentru a schimba impedanța sistemului de rezonanță. Frecvența de acordare variază de la 225 la 325 Hz, iar eficiența este de până la 80% sau mai mult, reflectând sistemul de înaltă Q (factor de calitate) cu caracteristici de înaltă eficiență; Figura 17b Designul folosește o structură cu dublu tub cu o sursă de sunet sferică încorporată pentru a obține rezonanță cu frecvență dublă. Rezonanța de joasă frecvență este o rezonanță de cavitate compusă dintr-un manșon cu secțiune dublă. Rezonanța de înaltă frecvență este doar rezonanța corespunzătoare tubului de rezonanță interior. Manșonul exterior și tubul de rezonanță interior pot folosi aluminiu metalic sau materiale nemetalice din fibră de carbon.

⑵ Design inovator al traductorului de bandă largă

În istoria dezvoltării tehnologiei acustice subacvatice, au fost produse o varietate de forme structurale de traductoare acustice subacvatice, fiecare cu caracteristici de lucru determinate de caracteristicile sale structurale. Pentru a se adapta la nevoile de inginerie ale aplicațiilor în bandă largă, aproape fiecare traductor structural se confruntă cu problemele tehnice de proiectare în bandă largă și îmbunătățirea procesului. Printre acestea, traductorul longitudinal este una dintre cele mai comune forme structurale de traductoare în domeniul traductor subacvatic de bandă largă . Rezultatele cercetării de proiectare și aplicare în bandă largă sunt destul de bogate. Principiile tehnice ale proiectării în bandă largă a altor traductoare structurale sunt practic similare. Această secțiune se concentrează pe o serie de idei noi de design bazate pe traductoare longitudinale pentru a obține caracteristici de bandă largă.

① Transductor longitudinal de bandă largă cu combinație de benzi

Aplicarea combinației benzilor de frecvență a început deja în stadiul incipient al dezvoltării tehnologiei sonarului. Lucrările timpurii au fost văzute în anii 1940. Trei traductoare longitudinale magnetostrictive cu frecvențe de rezonanță diferite au fost utilizate pentru a conduce o placă radiantă dreptunghiulară și șase traductoare într-un aranjament pe scară. Acționat de o bobină de înfășurare comună (prezentată în Figura 18), frecvențele de rezonanță independente ale traductorului sunt, respectiv, 21,5, 23 și, respectiv, 24,5 kHz, Q=12 și Q=4 după combinație. Deși această metodă de combinare a benzilor de frecvență nu este strict un traductor de bandă largă, este încă utilizată pe scară largă în domeniul acusticii subacvatice, în special în sistemele acustice precum simularea zgomotului și momelile acustice. Combinația de dispozitive realizează caracteristici de emisie în bandă ultra-largă.

 

② cuplaj modal traductor longitudinal de bandă largă

Capacul frontal al traductorului longitudinal se presupune de obicei că vibrează în felul unui piston în analiza modelului unidimensional, adică nu apare nicio vibrație de îndoire. Când cornul suprafeței radiante a traductorului este relativ lat, acesta trebuie să fie însoțit de vibrații de îndoire, ceea ce este rezonabil. Folosind modul de vibrație de îndoire al capacului frontal pentru a-l cupla eficient cu modul de vibrație longitudinală, poate fi proiectat un traductor longitudinal de bandă largă. Literatura de specialitate a studiat efectul de cuplare al vibrației de încovoiere și al vibrației longitudinale a plăcii de acoperire pătrate radiante și a proiectat un traductor de bandă largă. Într-o altă literatură, un disc vibrant și îndoit este încorporat în capacul de radiație, iar discul de îndoire este cuplat cu modul de vibrație al traductorului longitudinal, iar traductorul de bandă largă este proiectat și dezvoltat așa cum se arată în Figura 19a. Stiva piezoelectrică a traductorului longitudinal poate fi proiectată în mai multe grupuri. După cum se arată în Figura 19b, este structura de bază a traductorului care utilizează cuplarea modală cu excitație duală pentru a obține funcționarea în bandă largă. Butler se bazează pe structura traductorului longitudinal cu excitație dublă. Dezvoltare aprofundată, cum ar fi utilizarea dublă excitație hibridă magnetostrictivă și piezoelectrică pentru a proiecta un traductor longitudinal de bandă largă, iar capacul frontal pentru a lipi un strat de potrivire cu lungimea de undă de 1/4 și proiectarea unui traductor longitudinal cu bandă ultra-largă de cuplare în mod de rezonanță de ordinul al treilea.

③Traductor longitudinal de bandă largă cuplat cu cavitate lichidă

Designul tipic al cuplării dintre traductorul longitudinal și cavitatea lichidului este traductorul Janus-Helmholtz (prezentat în Figura 20). Traductorul longitudinal adoptă o structură radiantă cu două capete, numită Janus, cu un manșon cilindric conceput pentru a forma o cavitate rezonantă Helmholtz între capetele radiante duble ale lui Janus; traductorul rezonant cu cavitatea lichidă generală are o bandă îngustă de frecvență de lucru. În aplicația comună Janus, transmisia în bandă largă poate fi realizată prin proiectarea optimizată a cuplajului modal.

Gall a proiectat două traductoare Janus-Helmholtz, 300Hz și 160Hz, și a studiat în profunzime efectul adăugării unui tub compatibil în cavitatea rezonantă Helmholtz asupra caracteristicilor de funcționare în bandă largă ale traductorului.

⒊Inovație tehnică pentru a îmbunătăți puterea sunetului emis

Modul direct de a crește puterea sonoră a unui traductor acustic subacvatic este de a crește volumul traductorului, de a crește numărul și de a forma o matrice strânsă. Cea mai eficientă metodă este utilizarea materialelor funcționale cu densitate energetică ridicată. Capitolele anterioare au explicat aplicarea materialelor funcționale de înaltă densitate energetică. Această secțiune se concentrează pe inovațiile tehnice în structura și procesul traductoarelor de mare putere de volum mic.

În descrierea avantajelor și dezavantajelor dimensiunii mici și caracteristicilor de putere mare ale traductorului, cifra de volum a meritului este în general utilizată pentru măsurare, și anume

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Formula ⑴ definește factorul de merit de volum al unui anumit tip de traductor, unde: Wa este puterea sunetului (W), V este volumul traductorului (m3), f0 este frecvența de rezonanță (Hz), Q este factorul de calitate, Factorul de merit de volum al dispozitivului este strâns legat de structura și materialele funcționale. Delany a proiectat și dezvoltat un traductor compact cu disc curbat (Bender) și a analizat și studiat sistematic caracteristicile de lucru ale funcționării de joasă frecvență, de dimensiuni mici și de mare putere a lui Bender.

 

 

Există literaturi care proiectează traductorul de îndoire-tensiune cu structură concavă de tip I (tip cilindric concav) într-o combinație mai compactă, care permite mai multe grupuri de traductoare într-un volum limitat pentru a maximiza deplasarea volumului și pentru a obține caracteristici mari de putere, așa cum se arată în Figura 21, vârful a 6 traductoare de flexiune de tip I sunt grupate împreună pentru a forma un traductor de tensiune în șase dimensional, stea-flexiune, în șase puncte. caracteristicile structurii compacte, frecvență joasă, putere mare și bandă largă de frecvență: frecvența de rezonanță fundamentală Răspunsul tensiunii de transmisie la 1,15 kHz este de 127 dB, omnidirecțional, iar răspunsul tensiunii de transmisie de la 800 Hz la 10 kHz este mai mare de 120 dB. Parametrul FOMv nu este indicat în literatură și este de așteptat să fie echivalent cu sau mai mare decât traductorul de flextension „în formă de stea”.

Proiectarea și analiza de mai sus pentru urmărirea dimensiunilor mici și a puterii mari pornesc practic de la limitele electrice și mecanice și iau în considerare doar densitatea energetică a materialelor funcționale și limita de vibrație a structurii. Când traductorul necesită impuls lung sau funcționare continuă, căldura și disiparea căldurii traductorului vor fi cea mai mare problemă în condiții de putere mare. În acest moment, limita termică este principalul factor care limitează puterea finală a traductorului. Limita termică a traductorului este una dintre problemele de bază importante care sunt vizate în inginerie. La fel ca și detaliile de proces ale traductorului, nu există multe lucrări de cercetare raportate public. Există literaturi care să modeleze și să analizeze problemele termice ale traductoarelor de joasă frecvență și de mare putere și să discute problemele de conducere termică ale traductoarelor de flextension Janus-Helmholtz și de tip IV. Când traductorul funcționează în ape puțin adânci, în special cu frecvență joasă și transmisie de putere mare, creșterea puterii sunetului va fi, de asemenea, limitată de limita acustică a factorului de cavitație. În acest context, metoda de creștere a puterii unui singur traductor nu mai este eficientă. Matricea de bază va fi, de asemenea, restricționată, astfel încât să existe o singură modalitate de a forma o matrice de bază rară.

Prin urmare, atunci când se proiectează traductoare de joasă frecvență și de mare putere, este necesar să se aleagă rațional forma structurală și materialele pentru funcția de antrenare, ținând cont de factori precum limita electrică, limita mecanică, limita termică și limita acustică și se face o analiză generală și o optimizare cuprinzătoare. Există o relație optimă între puterea limită și volumul traductorului. Cercetarea aprofundată în acest sens va fi una dintre direcțiile tehnice ale traductoarelor de joasă frecvență și de mare putere în viitor.

 

⒋Inovație tehnologică pentru creșterea rezistenței la presiunea hidrostatică

În prezent, comunitatea academică a propus idei de dezvoltare precum oceane transparente și oceane informatizate. Scopul este de a permite tehnologiei informației subacvatice să acopere toate colțurile oceanului, inclusiv regiunile polare și tranșeele abisale. Prin urmare, au prezentat cerințe pentru utilizarea traductoarelor acustice subacvatice în profunzime mai mare. Contestă chiar și capacitatea de a lucra în mare adâncime. Capacitatea de rezistență la presiune hidrostatică a traductorului este strâns legată de structura traductorului, în special pentru traductoarele cu emisie de joasă frecvență cu rigiditate structurală scăzută. Rezolvarea tehnologiei structurii de rezistență la presiunea hidrostatică a devenit un subiect important în domeniul actual al tehnologiei traductoarelor. Metodele și mijloacele actuale eficiente de rezolvare a adâncimii de lucru includ în principal umplerea cu fluid, umplerea cu fluid conform tubului, suport structural natural, compensarea cilindrului de gaz de înaltă presiune, compensarea airbag-ului etc., la adâncimi de lucru de peste 1000 m, singura metodă tehnică eficientă este tehnologia de umplere cu fluid, inclusiv tipul de preaplin liber folosește direct umplere cu lichid de mare presiune sau apă de mare pentru a echilibra presiunea autostatică; în termen de 1000 m, tubul de conformitate rezistent la presiune poate fi utilizat în cavitatea lichidului în același timp pentru a îmbunătăți conformitatea cavității lichidului; În termen de 200 m, suportul natural al structurii poate rezista presiunii hidrostatice. Unele traductoare cu rigiditate structurală foarte scăzută (cum ar fi traductoarele cu bobine mobile) pot folosi cilindri de aer de înaltă presiune pentru a asigura compensarea presiunii. În general, pe o rază de 100 m, poate fi utilizată compensarea airbagului. Traductorul cu structură cavitate introdus mai sus poate fi proiectat în general ca un mod de lucru umplut cu fluid pentru a realiza lucrul în apă adâncă. În această secțiune, sunt date câteva exemple de aplicații pentru proiectarea structurii umplute cu ulei.

 

Lucrarea de cercetare a Kendig lui publicată în 1965, a combinat aplicarea a 4 traductoare longitudinale piezoelectrice acționate de discuri ceramice PZT-4, umplute cu ulei de silicon pentru a proteja golul format între carcasa de oțel (inclusiv placa de cauciuc care transmite sunetul) și traductor. Cavitatea este conectată cu camera de fluid din spate. Cauciucul din față permeabil la sunet și geamul din cauciuc din spate sunt în contact cu apa de mare pentru a obține echilibrul presiunii interne și externe. Lățimea de bandă de lucru a traductorului este de 30-50 kHz, iar lucrul în intervalul de presiune hidrostatică de 0-6,9 MPa a fost studiat experimental. Caracteristic, această metodă de echilibrare a presiunii este încă folosită în multe rețele sonare de adâncime. Figura 22b prezintă un traductor toroidal de preaplin liber cu o structură umplută cu ulei. Inelul ceramic piezoelectric este suspendat într-un manșon din cauciuc poliuretan, iar interiorul este umplut cu ulei de silicon pentru a obține echilibrul presiunii cu lumea exterioară. Manșonul din cauciuc poliuretan este un material ideal pentru transmiterea sunetului, acest tip de traductor are caracteristici de lucru similare cu forma de acoperire cu infuzie directă a cauciucului poliuretanic. Pentru tubul rotund PZT-4 Φ 150mm ×Φ 140mm × 50mm, analiza de simulare și studiul experimental al cauciucului poliuretanic în intervalul de frecvență de 5 ~ 10kHz Materialul manșonului este înlocuit cu aliaj de titan sau oțel. Ca rezultat, aliajul de titan reduce răspunsul la tensiunea de emisie cu aproximativ 6 dB, iar oțelul reduce răspunsul la tensiunea de emisie cu aproximativ 12 dB.

 

3. Concluzie

Privind istoria de o sută de ani de dezvoltare a tehnologiei traductoarelor, de la nașterea primului traductor piezoelectric până la dezvoltarea viguroasă a tehnologiei moderne a traductoarelor, au apărut frecvent inovații tehnologice în traductoarele acustice subacvatice. Principalele obiective ale inovației și dezvoltării tehnologiei traductoarelor includ: simplificarea proceselor complexe, depășirea blocajelor tehnice, rescrierea limitelor tehnice, îmbunătățirea performanței tehnice cuprinzătoare, propunerea de noi concepte și mecanisme noi, generarea și dezvoltarea de noi direcții tehnice și aprofundarea și perfecționarea teoriei disciplinelor traductoarelor Sistem și așa mai departe. Acest articol prezintă câteva cazuri de cercetare care reflectă designul inovator și măiestria rafinată a traductorului din punct de vedere al aplicării materialelor noi, al noii structuri și tehnologiei traductorului etc.