Utveckling av akustisk undervattensgivare i undervattensdetektionsapplikation

De akustisk undervattensgivare är huvudverktyget som använder ljudvågor för att upptäcka, identifiera och lokalisera undervattensmål, eller för att kommunicera och skicka rapporter under vattnet. Givaren som används för att avge ljudvågor kallas en sändare. När givaren är i emitterande tillstånd omvandlar den elektrisk energi till mekanisk energi och sedan till akustisk energi. För närvarande har konventionella givararrayelement designade med piezoelektriska material, särskilt lågfrekventa givare, en stor volym och vikt på grund av sina strukturella egenskaper, vilket inte bara ökar kostnaden för tillverkning, användning och underhåll, utan också föreslår speciella funktioner för plattformen. Krav och begränsar skalan och formen av formation, vilket begränsar taktik och tekniska indikatorer. Hur man löser problemet med storleken och formen på den akustiska arrayen, hur man förenar den strukturella designen av de lågfrekventa och högfrekventa ekolodsanordningarna, och på basis av den nya arrayelementstrukturen, genom att kombinera storskaliga konforma arrayer för att förbättra ljudet. undervattensvapen och förbättra vår armés undervattensstridsförmåga.

 

1 Ny typ av piezoelektrisk kompositgivare

Figur 3.1 Arrayelement och tvärsnittsvy av månknoppens piezoelektriska kompositgivare

Figur 3.2 Arrayelement och tvärsnittsvy av cymbalgivaren

Månknopp typ piezoelektrisk akustisk undervattensgivare (Figur 3.1) och piezoelektrisk kompositgivare av cymbaltyp (Figur 3.2) är de mest representativa flextensionsgivare som för närvarande fokuseras på utomlands. De piezoelektriska kompositomvandlarna i dessa två strukturer är uppkallade efter formen på deras metalländstycken. Månknoppstrukturens metalländhålrum är av månknopptyp, medan ändlockshålrummet av metall i cymbalstrukturen är av cymbaltyp och hålrummet är luft. De är alla gjorda av en komposit av metall och piezoelektrisk keramik. Metall-piezoelektriska keramiska kompositmaterial kombineras med piezoelektriska keramer genom platta-, skalformade och kapsylformade metaller för att ändra spänningsfördelningen inuti keramiken, och därigenom förbättra prestandan hos piezoelektriska material. Dess huvudsakliga egenskaper är enkel design, enkel bearbetning och låg kostnad. Den piezoelektriska kompositgivaren för månknoppen och den piezoelektriska kompositgivaren för cymbal visar bra piezoelektrisk prestanda. Denna struktur förändrar spänningsfördelningen av det keramiska gränssnittet genom spänningsomvandlingen mellan den kapsylformade metallen och den keramiska gränsytan, och gör att kompositmaterialet Den längsgående piezoelektriska prestandan och den tvärgående piezoelektriska prestandan ger en additiv effekt, vilket avsevärt förbättrar materialets piezoelektriska kopplingsprestanda dh. Bland dem är dh för månknoppstrukturens kompositmaterial 10-20 gånger högre än den för den piezoelektriska keramen. Lockstrukturen kan vara 30-40 gånger högre än piezoelektrisk keramik. Prestandajämförelsen mellan månknoppar och lockformade metall-piezoelektriska keramiska kompositer och piezoelektriska keramer visas i tabell 3.1.

 

2 cymbalgivare

Figur 4.1 Sektionsvy av den grundläggande strukturen för cymbaltransducer array-elementet

Figur 4.2 Den radiella förskjutningen av det keramiska chipet i cymbaluppsättningselementet omvandlas till förskjutningen i metallkåpans tjockleksriktning

Arrayelementstruktur: Den grundläggande strukturen för arrayelementet visas i figur 4.1. Den bildas genom att binda två bitar av metallplåt stansade till en cymbalform och en piezoelektrisk keramisk plåt. Materialet i plåten kan vara titanlegering, mässing, legerat stål, etc. Användningen av titanlegering som plåtmaterial kan göra att cymbalelementet har större motståndskraft mot vattentryck. För elementets diameter dp=10mm, cymbal undervattens akustisk givare kan motstå trycket på ett djup av 600 meter. Emellertid är titanlegeringsmaterial dyrare än mässing och legerat stålmaterial. Därför är titanlegeringsmaterial relativt begränsade när vattendjupet inte beaktas. Jämfört med legerat stålmaterial har mässingscymbalarrayelement bättre piezoelektriska egenskaper när de samtidigt appliceras på cymbalarrayelement. Materialen i piezoelektrisk keramik inkluderar också huvudsakligen PZT-4, PZT-8 och PZT-5. När cymbalomvandlare används som sändande omvandlare, används vanligen PZT-4 och PZT-8 piezoelektrisk keramik som mottagande omvandlare. När den används är PZT-5 piezoelektrisk keramik vanligen använd. Arbetsprincip: När spänning appliceras på de två polerna i cymbaluppsättningselementet, kommer den piezoelektriska keramen att producera longitudinella och laterala vibrationer. Den longitudinella vibrationen hos den piezoelektriska keramen gör att de två metallplattorna i arrayelementet direkt producerar längsgående förskjutning; Den laterala förskjutningen gör att metallplåten komprimeras eller expanderar i radiell riktning. På grund av den speciella formen på cymbalen orsakar detta också den längsgående förskjutningen av toppen av plåten, som visas i figur 4.2. Både den longitudinella och radiella förskjutningen av den piezoelektriska keramiken kommer att orsaka att metalländlocket producerar en längsgående förskjutning, och resultatet av överlagringen av de två förskjutningarna är förskjutningen av metalländlocket, vilket resulterar i förstärkningen av förskjutningen av metalländlocket.

 

3 Egenskaper och tillämpningsmöjligheter för cymbal piezoelektrisk akustisk undervattensgivare

3.1 Funktioner hos cymbal piezoelektrisk givare

1) Arrayelementet är litet i storlek, högt i statiskt tryck och piezoelektrisk koefficient, lätt att matcha med vattenmediet och har en mycket stor bandbredd; bland dem används den konkava arrayelementdesignen och den speciella hydrostatiska balanskonstruktionen för att bryta igenom gränsen för arbetsdjupet för den grundläggande arrayen.

2) Tillhandahålla en typ av heltäckande tillämpliga akustiska sensorer och arrayer för undervattensplattformar och undervattensvapen. Denna typ av akustisk array är liten i storlek, lätt i vikt och har ett brett användningsområde. Krav.

3) På grund av de små och lätta egenskaperna hos den nya cymbaluppsättningen kan den monteras i stor skala.

4) Använd designteori för cymbalarrayelement och speciell programvara för att förena arraystrukturen för varje frekvensband till en cymbalstruktur av olika skalor, så att varje frekvensband kan optimeras och utvecklas

Det undviker också onödiga och tråkiga tester och bildar en snabb och enhetlig ny design och utvecklingsmetod för cymbaluppsättningar. Med denna metod kommer, förutom att utveckla produkter med liknande driftfrekvenser, även nya lågfrekventa, högfrekventa arrayelement och grundläggande arrays som fungerar i olika frekvensband att utvecklas.

 

3.2 Tillämpningsmöjligheter

1) Undervattenskommunikation: Eftersom cymbalekolodsgivaren har egenskaperna liten storlek, lätt vikt, enkel utplacering, hög känslighet, etc., kan cymbalekolodselementen formas till en linjär array för undervattenskommunikation, eller som en undervattenskommunikationssystemenhet etablerar ett undervattenskommunikationsnätverk för att realisera storarea och långdistanskommunikation under vatten i enlighet med undervattensförsvars- och långdistansförsvarsposition, behov, vilket gör undervattenskommunikation snabb och flexibel.

2) Används för torpedvägledning: Cymbal ekolod har hög mottagningskänslighet. Cymbal ekolod kan appliceras på passiva torpeder för att realisera torpedspårning och vägledning.

3) Används för ubåtsmottagande ekolod: cymbalekolodsarrayelementen kan formas till en gemensam array, som kan arrangeras på huvudet eller sidan av ubåten för att utföra funktionerna detektering och positionering.

4) Övrigt: kan användas som dragekolod, minundvikande ekolod, doppningsekolod, etc.