Ny typ av akustisk undervattensgivare och ny teknik för givare

Akustiska vågor är den enda bärare som människor har som kan överföra information och energi över långa avstånd i det stora havet. På landet använder människor elektromagnetiska vågor för att utveckla radar. På liknande sätt använder människor akustiska vågor som informationsbärare för att utveckla undervattensmål för detektering och elektronisk utrustning för positionering, identifiering och kommunikation-ekolod. Inför det stora havet tar ekolodet ett viktigt uppdrag som når alla hörn av det stora havet, identifierar olika saker i det, som berättar för människor undervattensvärldens sanna ansikte och hjälper människor att utforska havets mysterier, för att bli undervattenskommunikationsnavigering, vattenfiske, marin resursutveckling, marin geologi och geomorfologisk utforskning, anledningen till att ljudmedier har undervattensinformation blivit den bästa i vågor. den minsta dämpningskoefficienten jämfört med andra fysiska fält såsom elektromagnetiska vågor, och kan sändas över långa avstånd. Denna fördel gör ekolod genom att använda ultraljudsvågor för att observera under vattnet från början. Målet börjar och fortsätter att utvecklas. För närvarande har ekolodets arbetsfrekvensband utökats till ett brett område. Aktiva ekolod har utökats från tiotals Hz till tiotals MHz, och lågfrekventa änden av passiva ekolod har utökats till infraljudsområdet. I ett så brett frekvensband kallas enligt regelverk den viktiga anordning som stimulerar och genererar ljudvågor i form av signaler och känner av och tar emot ljudvågor i vatten utan distorsion för ekolodsgivare eller ekolodsmatris. Dessa enheter är front-end-utrustningen för ekolodssystemet, såväl som 'fönstret' för ekolodssystemet för att interagera med vattenmediet och utbyta information, och är 'förverkligare' av ekolodssystemets funktioner, för ekolodsgivare eller ekolodsmatriser. Det kallas levande för ekolodssystemets 'ögon och öron'. Med den kontinuerliga expansionen av applikationsområdet för ekolodsteknik och den ständigt ökande efterfrågan på militär konfrontation och strid har nya principer, ny teknik och ny ekolodsutrustning dykt upp en efter en, en efter en. Utvecklingskraven för ny ekolodsteknologi har drivit på den snabba utvecklingen av givarteknologi, och samma tekniska genombrott inom området för omvandlare och utvecklingen av nya material, nya mekanismer och nya strukturer av akustiska undervattensgivare har också gjort ekolodssystemet 'uppfriskande'. Här är en kort översikt över utvecklingsstatusen för givarteknologi under de senaste åren baserat på den information som författaren har och den begränsade förståelsen. Det inkluderar huvudsakligen nytt material hydroakustisk givare, ny struktur och ny mekanism hydroakustisk givare, ny typ av hydrofon, bredbandsgivare teknik och så vidare.

 

2 Nytt material akustisk undervattensgivare

 

Givaren är en enhet som realiserar energiomvandling i ekolodssystemet. I givaren finns ett speciellt material som har förmågan att omvandla energi. Detta material kallas ett funktionsmaterial. De funktionella materialen som används för att tillverka transduktorer inkluderar huvudsakligen piezoelektriska material (såsom piezoelektriska kristaller, piezoelektriska keramik, piezoelektriska polymerer, etc.) och magnetostriktiva material (såsom nickel, kobolt, nickel-järnlegeringar, ferriter, sällsynta jordartsmetaller framställer järnlegeringar, etc.) för magnetisk effekt av järnlegeringar, etc.) realisera den ömsesidiga omvandlingen mellan elektrisk fältenergi eller magnetfältsenergi och mekanisk energi. Transduktorteknologins genombrott bestäms i grunden av det tekniska genombrottet för funktionella material. Under de senaste åren har olika tekniska landvinningar inom området funktionella material också lett till utvecklingen av givarteknologi. Läkaren upptäckte att lantanidmaterialen med sällsynta jordartsmetaller har fantastiska magnetostriktiva egenskaper, men de har inte använts i praktiken eftersom curiepunkten är lägre än rumstemperatur. Senare upptäcktes det att binära, ternära eller kvartära legeringar som består av sällsynta jordartsmetaller och järn också har gigantiska magnetostriktiva egenskaper vid rumstemperatur. Den mest representativa legeringen av sällsynta jordartsmetaller är Terfenol-D (sammansättningen är Tb0.27Dy0.73Fe1). 95), har det blivit en ny typ av funktionsmaterial som har väckt stor uppmärksamhet sedan 1980-talet. Avslappningsferroelektrisk enkristall blymagnesiumniobat-blytitanat (PMN-PT) och blyzinkniobat-blytitanat (kallad PZN-PT) är nya typer av kompositperovskitkristallmaterial, och de håller också på att växa fram En klass av nya funktionella material med stora applikationsmöjligheter. Dessförinnan användes nickel ofta som material för givare. År 1917 gjorde den franska forskaren Langevin en ekolodsgivare med en kvartskristall, vilket gav ett prejudikat för tillämpningen av piezoelektriska material i ekolodet på 1940-talet, BaTiO3 pzt-keramik med starka piezoelektriska egenskaper utvecklades framgångsrikt och användes i stor utsträckning i ekolodssystem. PZT piezoelektriska keramer som utvecklades på 1950-talet har ett brett driftstemperaturområde och utmärkta elektromekaniska egenskaper. Konverteringseffektiviteten kompenserar för otillräckligheten hos Ba TiO3-keramik och blev en gång det valda materialet för akustiska undervattensgivare. Bland dem är det piezoelektriska keramiska materialet med hög energitäthet PZT-8. En enkel jämförelse av ovanstående material: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT kan producera stam ungefär 5 gånger den för PZT-8 och 50 gånger den för nickel; de piezoelektriska konstanterna för PMN-PT och PZN-PT är d33. Det är 6-8 gånger så mycket som PZT-8-material. Användningen av dessa pzt-material för att utveckla nya akustiska undervattensgivare är ett av de aktuella heta ämnena.

 

Magnetostriktiva material av cylinder undervattens akustisk givare är sällsynt, vilket jordgigantiskt magnetostriktiva material använder magnetostriktiv effekt för att realisera den ömsesidiga omvandlingen mellan magnetfältsenergi och mekanisk energi, och används huvudsakligen för att utveckla lågfrekventa och högeffekts akustiska undervattensgivare. Det är en sorts 'komplex' struktur av den superledande magnetostriktiva hydroakustiska givaren med hög temperatur. Ur perspektivet av givarens struktur är dess struktur mycket enkel. Det är en vanlig longitudinell givare med dubbla radiatorer. Det så kallade 'komplexet' syftar här på dess rika fysiska konnotation. Den magnetostriktiva kraften hos sällsynta jordartsmetaller legeringar vid låg temperatur är större än vid rumstemperatur. Till exempel är den maximala magnetostriktiva töjningen av Tb0.6Dy0.4 vid 77K temperatur 0,65%, medan Terfenol-D är vid rumstemperatur. Den högsta magnetostriktiva töjningen är 0,25 %. Utvecklade en magnetostriktiv hydroakustisk givare i Tb0.6Dy0.4-material med ett temperaturområde på 50-60K: det stavformade materialet av sällsynt jordartsmetall placeras i luftkonditioneringsrummet och kyltornet i kylskåpet kyls cykliskt, och luftkonditioneringsrummet tillhandahålls av en supraledande spole. Det förspänningsmagnetiska fältet och det magnetiska excitationsfältet exciterar den magnetostriktiva staven för att producera sträckande vibration, som överförs till den utstrålande ytan av kolvtyp genom det mekaniska övergångsstycket, och den strålande ytan av kolvtyp trycker på vattenmediet för att generera tryckvågsstrålning. En vakuumkammare är utformad i strukturen för att isolera värmeledning. Vakuumkammarens yttervägg är ett kupolformat trycktåligt lock, som tål ett tryck på 10 atmosfärer. De viktigaste tekniska parametrarna är följande: resonansfrekvens 430 Hz, maximal ljudkälla 181. 4db, effektiviteten är ca 25%. Tillverkningsprocessen för denna typ av givare är komplicerad. Under de senaste åren är människor fortfarande villiga att använda terfenol-D-material som fungerar vid rumstemperatur, överge en viss magnetostriktiv belastning och ersätta den med en ny struktur för att uppnå utmärkt strålningsprestanda. Följande är en kort introduktion till forskningsframstegen för flera strukturella magnetostriktiva material i akustiska undervattensgivare. Den längsgående givaren har en enkel struktur. Den magnetostriktiva staven kombineras med det främre strålande huvudet och svansmassan för att bilda ett liknande endimensionellt vibrationssystem. Det främre strålningshuvudet är vanligtvis tillverkat av lättviktsmaterial, och svansmassan är vanligtvis gjord av täta material för att uppnå en strålande yta. Utgång större vibrationsförskjutning. Två longitudinella givare utvecklade med Terfenol-D-material introduceras. Den ena är en allmän longitudinell givare med en resonansfrekvens på 1200 Hz, en ljudeffekt på 3 kW och en givarevikt på 60 kg; den andra är den sällsynta jordartsmetallstaven i båda ändar. Designad som en hornformad dubbeländad strålande longitudinell givare, är resonansfrekvensen 400 Hz, ljudeffekten är 1,5 kW och givarens vikt är upp till 100 kg. Ringformad givare: en vanlig polygon omgiven av ett antal sällsynta jordartsmetallstavar och en serie cirkulära bågytor exciteras av övergångsstycket för att skapa radiella vibrationer för att uppnå akustisk strålning med hög effekt. En serie sällsynta jordartsmetaller lågfrekventa högeffekts toroidformade givare har utvecklats, inklusive givare med en resonansfrekvens på 200 Hz (innerdiameter 0,56m, ytterdiameter 0,94m, höjd 0,37m, ljudkällasnivå 193dB, vikt 410kg) och en givare med en höjd på 3mz diam. 1,1m, ljudkälla 195dB, vikt 5t). Flextensional givare är en sorts givare som använder den längsgående vibrationen av piezoelektrisk keramisk stapel eller magnetostriktiv stav för att excitera strålningsytan på skalet (eller cylinderstrålen) med amplitudförstärkningseffekt för böjningsvibrationer. Flera vanliga givare är listade. Typer av flextensionsgivare, bland vilka I, II och III har samma egenskaper. Den längsgående vibrerande staven exciterar ett rotationssymmetriskt krökt skal. Skalet kan vara en kontinuerlig struktur eller en struktur som skärs i en grupp balkar. Purcell använde Terfenol-D-material för att utveckla en konkav böjningsspänningsgivare (typ III) med en resonansfrekvens på 1300 Hz, en ljudkälla på 188,7 dB och en bandbredd på 600 Hz. På grund av användningen av en öppen magnetisk krets med en stav, är resonansfrekvensen. Den maximala växelströms elektroakustiska effektiviteten är endast 7 %, och givarens vikt är 2,7 kg. Fish-lip flextensionsgivare har gemensamma egenskaper. Givaren exciteras av en längsgående vibrerande stav för att böja det konvexa eller konkava elliptiska skalet för att uppnå strålning med hög effekt. Fish-lip flextensionsgivaren antar amplitudförstärkningseffekten. Effekten av viktning med arean ökar ljudstrålningseffekten. Rapporterade att denna nya typ av lågfrekvent högeffekts akustisk undervattensgivare, inklusive resonansfrekvensen 210Hz, 450Hz, 800Hz och 1200Hz, används forskningsresultaten av denna nya typ av givare för närvarande i aktiva ljudsystem med lågfrekvent ljud, t.ex. källor och bullersimulatorer.

 

Avkopplande ferroelektriskt material akustisk undervattensgivare

 

Relaxor ferroelektriska material är ett slags potentiella funktionella material, som kan delas in i elektrostriktiva keramiska typer och relaxor ferroelektriska enkristalltyper. Tillverkningsprocessen för relaxerande ferroelektriska enkristaller är mycket mer komplicerad än den för elektrostriktiva keramiska material. Forskare har använt dessa material för att tillverka många typer av givare, såsom böjgivare, längsgående givare och så vidare. Givartillverkningstekniken för denna typ av material är mer komplicerad, och det är nödvändigt att lägga till ett elektriskt DC-förspänningsfält, applicera förspänning och kontrollera processens temperatur. Användningen av PMN-PT-BT (blymagnesiumniobat-blytitanat-bariumtitanat) elektrostriktiva keramik utvecklade IV-typ flextensionsgivare. Forskningsresultaten visar att den utvecklade givaren inte har maximerat materialets potential. Detta arbete kommer fortfarande att vara en av de hot spots som måste utforskas inom området för akustiska undervattensgivare under en period. Användning av PMN-PT relaxor ferroelektriskt enkristallmaterial för att studera 64 kanaler av 3,5 MHz ultraljudssond, som används i medicinsk B-ultrasound och Doppler färg ultraljudsavbildningsutrustning, vilket tyder på att relaxor ferroelektriskt enkristallmaterial i högfrekvent bildekolod.

 

Piezoelektrisk polymerfilm av sfärisk akustisk undervattensgivare kan göras till ett flexibelt membran, och givaren kan utformas i vilken form som helst när givaren tillverkas, och materialets akustiska impedans är låg, och det är lätt att uppnå impedans med vatten och andra flytande medier och biologiska vävnader. Matchning, som ofta används för att tillverka högfrekventa standardhydrofoner, högfrekventa givare, medicinska ultraljudsgivare, konforma arrayer och diversifierade kompositgivare arrayer, den vanligaste piezoelektriska polymeren för tillverkning av givare är huvudsakligen polyvinylidenfluorid (PVDF). För närvarande är den mer iögonfallande piezoelektriska polymermaterialfilmen EMFi (förkortning av electro mechanicalfil), en slags polypropenskum flexibel film, dess piezoelektriska konstant är cirka 10 gånger den för PVDF, som kan användas för att göra högkänsliga givare. Strukturen hos EMFi-tunnfilmsgivaren har en mottagande ytdiameter på 35 mm, och givarens mottagningskänslighet är större än -190dB (referensvärdet är 1V/μPa). Denna typ av givare kan också användas i luften för att ta emot eller sända ut ljudvågor.

 

Introduktion av den nya strukturen för akustisk undervattensgivare och olika transduktionsmekanismer. Funktionella material är viktiga i givaren, men de måste spelas av en lämplig struktur. Därför verkar den strukturella designen av givaren vara särskilt viktig i utvecklingen av givarens teknologi. viktig. Enligt olika applikationsområden och olika tekniska krav, eller enligt egenskaperna hos olika transduktionsmekanismer och funktionella material, har olika typer av givare kommit ut efter varandra, varav många kombinerar multidisciplinära teknologier för att gemensamt bryta ny mark Tekniska svårigheter för att uppfylla vissa speciella tekniska krav. Den högtemperatursupraledande magnetostriktiva hydroakustiska givaren är ett typiskt exempel. I det föregående innehållet i denna artikel och de typer av givare som kommer att introduceras senare, är många också nya strukturer och nya mekanismer för akustiska undervattensgivare. För att inte upprepa, citerar detta avsnitt bara två andra designexempel på nya strukturer.

 

Transduktor av cymbaltyp (cymbal) är en slags ny strukturgivare som liknar flextensionsgivare. Varje givare av cymbaltyp består av ett par PZT piezoelektriska keramiska skivor och en metallkåpa är sammanfogad. Den piezoelektriska keramiska skivan PZT applicerar en växelspänning för att generera radiella vibrationer för att excitera metallkåpan för böjningsvibrationer, och den upphöjda metallkåpan på givaren producerar växelvis vibrationer av 'expansion-krympning'. Strålning ljudvågor. När samma växeltrycksvåg verkar på metallkåpan, kommer trycket att överföras till den piezoelektriska keramiska skivan PZT, och växelspänningen matas ut vid de två polerna på den keramiska skivan, som används som en mottagande givare. Resonansfrekvensen för givaren av cymbaltyp i vatten är 16,1 kHz och emissionsspänningssvaret är 130 dB (referensvärdet är 1μPa/V, vid 1 m). Figur 5 visar också fotot av matrisen med 9 element som består av denna typ av givare. . I den lågfrekventa piezoelektriska givaren av spiralfjädertyp bearbetas den piezoelektriska keramiken till en spiralfjäderform (som visas i figur 6),piezoelektrisk keramisk givare polariseras i tangentiell riktning, och sedan konstrueras ett excitationselektrodpar. Den neutrala sektionen utan elektroder i mitten separeras för att bilda ett yttre ringelektrodpar 1 och ett inre ringelektrodpar 2 (se det förstorade schematiska diagrammet av ett litet fragment i fig. 6). På detta sätt appliceras excitationsspänningen V på elektrodparet, den del av den piezoelektriska keramen som styrs av det yttre ringelektrodparet och det inre ringelektrodparet kommer att producera motsatta vibrationer (förlängning eller sammandragning), och fjädersystemets expansion och sammandragningsrörelse kommer att driva kolvens arbetsyta att vibrera ljudenergi. På grund av den låga styvheten hos denna struktur har den en låg resonansfrekvens och kan användas som en lågfrekvent sändningsgivare. När den används som mottagare har den också hög känslighet i lågfrekvensband. Med utgångspunkt från den piezoelektriska ekvationen erhölls ett elektromekaniskt omvandlingsförhållande för denna typ av omvandlare, och en del undersökande forskningsarbete utfördes.

 

Introduktion till olika energiomvandlingsmekanismer i akustiska undervattensgivare Ur energiomvandlingsperspektiv kan givare huvudsakligen delas in i piezoelektriska givare som använder piezoelektrisk effekt för att uppnå energiomvandling och magnetik som använder magnetostriktiv effekt för att uppnå energiomvandling. Infällbara givare, de givare som ingår i det föregående innehållet tillhör dessa två typer.