Forskningsframsteg och utvecklingsmöjligheter för akustisk undervattenstransducerteknik

Akustiska vågor anses vara den enda informationsbäraren som kan färdas långa sträckor i havet. Marin forskning, resursutveckling och maritima militära kamper är alla oskiljaktiga från akustisk undervattensteknik. Utvecklingen av hydroakustisk teknologi kräver olika typer av hydroakustiska givare för att ge stöd, och uppdraget för hydroakustiska givare är att sända och ta emot ljudvågor under vattnet, så hydroakustiska givare är kända som 'ögon och öron för hydroakustisk utrustning. Utvecklingen av hydroakustiska givare inkluderar huvudsakligen tillämpningen av nya material, antagandet av nya konstruktioner och förbättringar av nya processer och förbättringar av nya processer. omvandlarens omfattande tekniska prestanda Den akuta efterfrågan från området för hydroakustiska givare är den direkta utvecklingen av hydroakustiska givare. kombinerat med mitt lands marinteknologiska utvecklingsstrategi och situation, diskutera kortfattat de utmaningar och utvecklingsmöjligheter som den nuvarande akustiska undervattenstransduktortekniken står inför.

 

De akustisk undervattensgivare är en typ av sensor som realiserar omvandlingen av ljud och andra former av energi eller information i vattenmediet; den akustiska undervattensgivaren är ekolodssystemets front-end-utrustning, och det är också interaktionen mellan ekolodssystemet och vattenmediet för att utbyta information. fönster'. Området för forskning och utveckling av undervattens akustisk omvandlarteknologi involverar integrering av flera discipliner, och de närbesläktade disciplinerna inkluderar huvudsakligen: fysik, materialvetenskap, matematik, mekanik, elektronik, kemi, mekanik, etc., så utvecklingen av akustiska undervattensgivare Det är nära relaterat till samma discipliner som samtidigt begränsas och grundläggande utveckling av olika discipliner. discipliner att döma av decennierna av utvecklingshistoria för mitt lands hydroakustiska omvandlare, kommer den största utvecklingsmotivationen från tillämpningskraven inom området för hydroakustisk teknik, men fram till slutet av 1900-talet saknade utvecklingen av mitt lands hydroakustiska transduktorteknik övergripande och systematisk karaktär.

 

1.1 Forskningsframsteg för lågfrekventa givare

Som svar på de akuta behoven av överföring av ultralång räckvidd undervattensinformation och utvecklingen av ultra-stealth ubåtsdetektion, har lågfrekventa sändande givare blivit en av de mest berörda hotspots inom området för akustiska undervattensgivare sedan 2000-talet. Arbetsfrekvensbandet för främmande ultralångdistansdetektering och kommunikationekolod har reducerats till cirka 100 Hz. Lågfrekventa givare involverar många teoretiska och tekniska problem, som inte har lösts väl för närvarande, och denna aspekt kommer fortfarande att vara forskningens hotspot och fokus för den framtida utvecklingen. Det här avsnittet väljer ut forskningsarbetet för lågfrekventa givare för böjvibrationer och givare för böjspänning och sammanfattar de nya tekniska landvinningarna.

 

1.1.1 Lågfrekvent givare för böjvibrationer

Det första tekniska problemet som utvecklingen av lågfrekventa undervattensgivare står inför är den geometriska storleken. I allmänhet är arbetsfrekvensen för resonansgivare omvänt proportionell mot den geometriska storleken. Det vill säga, ju lägre frekvens givaren har, desto större blir den geometriska storleken. Vibrationer kan effektivt minska den geometriska storleken på lågfrekventa givare. De nya designerna av lågfrekventa böjningsvibrationsgivare i Kina under de senaste 20 åren inkluderar huvudsakligen böjda strålgivare och böjda skivgivare.

 

(1) Böjningsstrålegivare. Designa en cylindrisk fribärande bredbandssändargivare (Figur 1a). Strukturdesignen kombinerar egenskaperna hos modal frekvens med låg böjningsvibration och metoden för multimodal vibrationskoppling för att bredda frekvensbandet. Chai Yong et al. Det föreslås en rörstrålekopplingsringgivare (Figur 1b). Genom att lägga till en krökt stråle till den inlagda ringformade givaren för att bilda en rörbalkkopplingsstruktur, ökas det effektiva arbetssättet. Använd multi-mode-koppling för att uppnå lågfrekventa och bredbandiga driftsegenskaper. Bräddningsstrukturen har antagits, och dess förmåga att motstå hydrostatiskt tryck har verifierats genom den faktiska tillämpningen av 3 000 m djuphavsstandard för nedsänkbar vatten. Xu et al. föreslagit två designscheman för cylindriska lågfrekventa givare (Figur 1c och d), genomförde en serie simuleringar och gav emissionssvarskurvorna drivna av de nya magnetostriktiva materialen Terfenol-D och Galfenol. Det visar givarstrukturens potential för applikationer med ultralåg frekvens.

Figur 1 Ny design av lågfrekvent givare för krökt stråle (a), 0 är en fast stråle och 1-5 är cylindriska balkar med olika tjocklek

(3) Böjd skivomvandlare. Den böjda skivomvandlaren inkluderar strukturer med tre staplar, dubbelstaplar och så vidare. Figur 2a visar en kompakt krökt skivomvandlare sammansatt av ett par dubbla lamineringar. Det utländska forskningsarbetet är relativt moget. Det bedrivs djupgående forskning om denna grundläggande struktur hos den krökta skivomvandlaren. Utgående från denna grundläggande struktur, genom att designa vätskekammaren och förbättra körläget, har några nya konstruktioner tagits fram]. Figur 2b är en böjd skivomvandlare som drivs av en mosaikring. Konstruktionen i figur 2c använder krökta skivomvandlare av olika storlekar för att bilda en matris, och använder olika drivmetoder för att uppnå bredbandsdrift. Figur 2d är en böjd skivomvandlare med bräddhålighetsstruktur. Storleken på vätskehåligheten är lämpligt anpassad i designen för att möta de akustiska prestandakraven. Det är en böjd skivomvandlare som drivs av galfenol, som använder en struktur som liknar en längsgående givare för att excitera böjningsvibrationen från den främre strålningen 

Figur 2 Ny design av lågfrekvent givare med böjd skiva

1.1.2 Flextensionsgivare

Konceptet med flextensionsgivaren startade från Hayes patent 1936. Det grundläggande arbetssättet är att en eller flera teleskopiska vibratorer driver det böjliga vibrationsskalet för att generera lågfrekvent ljudstrålning. Forskningen och tillämpningen av flexibla givare i mitt land har varit aktiv sedan slutet av 1900-talet. Forskare har designat flextensionsgivare med olika strukturer. Enligt strukturen och excitationsmetoden delas flextensionsgivarna in i tre kategorier. Denna klassificeringsmetod används här för att introducera separat.

 

(2) Böjspänningsgivare med cylindrisk struktur. Denna typ av givare drivs av en longitudinell teleskopisk vibrator för att överföra det böjliga vibrationsskalet. Givarens vibrerande skal är en translationsstruktur, det vill säga ett cylindriskt skal av olika former, som drivs av en eller flera longitudinella teleskopiska vibratorer. Inkluderande IV-typ flextensionsgivare och dess deformationsstruktur, VII-typ flextensionsgivare, fyrsidig flextensionsgivare, etc. Figur 3a är en typisk IV-typ flextensionstransduktorstruktur. Flextensionsgivaren av IV-typ som drivs av ett relaxor ferroelektriskt enkristall PMNT-material har utvecklats. Flextensionsgivaren av IV-typ som drivs av det gigantiska magnetostriktiva materialet för sällsynta jordartsmetaller Terfenol-D utvecklades. Figur 3b är den nya designen av flextensionsgivaren av VII-typ, som drivs av det jättemagnetostriktiva materialet för sällsynta jordartsmetaller Terfenol-D. Exciteringsmetoden är utformad på den bredaste delen av den tvärgående dimensionen, och ett par parallella vibratorer är utformade för att ge en djupgående titt på denna typ av givare. Serien av undersökningar inkluderar analys av förspänningsdesign, teoretisk modellering, modal analys, experimentell forskning, etc. Figur 3c är en förbättrad ny design av IV-typ flextensionsgivare, som liknar designförbättringen av typ I flextensionsgivare till typ II flextensionsgivare, med användning av en elliptisk skalstruktur med en långsträckt transduktor med en avslappnad givare. ferroelektriskt enkristallmaterial PMNT, som har bättre bredbandsdriftegenskaper än den allmänna IV-typ flextensionsgivare. Figur 3d är den tidigaste nya designen för att förbättra IV-typ flextensionsgivare i Kina - flextensionsgivaren av fiskläppstyp, som använder ett elliptiskt skal med variabel höjd och använder det sällsynta jordartsmetalls supermagnetostriktiva materialet Terfenol-D-drivningen, detta specialformade vibrerande skal har en spakarmseffekt och en högt viktad dubbelförstärkning. För närvarande har Terfenol-D fish-lip flextensionsgivaren serieiserats och designats till en dubbelskalsstruktur för att ytterligare öka överföringseffekten. Den maximala ljudeffekten för en enskild givare kan nå 10 000 watt, vilket gör den till en inhemsk lågfrekvent högeffektssändande givare. En av grundtyperna. Figur 3e är en ortogonal excitationsfyrsidig flextensionsgivare, som antar en kompakt designförbättring, som kan lägga till mer funktionella material i en begränsad volym och förbättra emissionsljudkällans nivå. Figur 3f är en annan förbättrad ny design av IV-typ flextensionsgivare, liknande designförbättringen av typ I flextensionsgivare till typ III flextensionsgivare, som använder två elliptiska skal i serie längs den långa axelriktningen. grundfrekvensläget för det böjliga skalet, vilket bidrar till modal koppling för att uppnå bredbandsdriftsegenskaper. Figur 3g är en förbättrad ny design för excitationsvibratorn för IV-typ flextensionsgivare. Det är en IV-typ flextensionsgivare som drivs av den fällbara vibratorn. Denna struktur i kombination med ett husmaterial med låg styvhet kan effektivt reducera resonansfrekvensen.

Figur 3 Böjspänningsgivare med pelarstruktur

Den är också känd som flextensionsgivare av kalebasstyp. Det studeras flextensionsgivaren av kalebasstyp som drivs av PZT och PZT+Terfenol-D. , Simuleringsanalysen av de emissionskarakteristiska parametrarna för den gemensamma exciteringen utförs. Figur 4c är en konkav-rörs flex-spänningsgivare exciterad av magnetostriktion-piezoelektrisk kombination. I designen används två excitationselement, Terfenol-D och PZT, för att bilda en sammansatt längsgående vibrator. Figur 4d visar den konkavcylindriga böjningsgivaren. Den exciteras av den flerpiezoelektriska stapeln. Under förutsättningen att skalet förblir oförändrat och den totala volymen av det piezoelektriska keramiska materialet är densamma, utformades och utvecklades analysen av olika antal (1-4) piezoelektriska stackdrivningar. För påverkan på givarens prestanda, designades och utvecklades en konkav-rörs böjspänningsgivare exciterad av en trippel piezoelektrisk.

Figur 4 Lång typ av roterande kroppsböjspänningsgivare

Böjspänningsgivare med roterande kropp av platt typ. Denna typ av givare drivs av en radiellt expanderande vibrator för att driva ett rotationssymmetriskt böjt vibrationsskal. Givarens vibrerande skal är en rotationssymmetrisk struktur, vanligtvis ett par konvexa eller konkava sfäriska kåpor (eller sfäriska kåpor) eller den är sammansatt av en skiva, etc., driven av en radiellt expanderande ring eller skivvibrator, inklusive V-formad flex-spänningsgivare, VI-formad flex-spänningstransducer, flex-formad flex-tension transducer, etc. här Liten storlek V-typ flextensionsgivare-Cymbal och skivtyp flextensionsgivare . Figur 5a är en liten V-formad flextensionsgivare. Ett par metalländstycken drivs av en piezoelektrisk keramisk skiva som vibrerar radiellt för att producera böjningsvibrationer; Figur 5b är en skivformad flextensionsgivare, som använder PZT- i konstruktionen. 4 Den radiellt polariserade piezoelektriska keramiska ringen driver den böjda skivan. Skivan är uppdelad i 16 lika stora sektorer längs den radiella slitsen för att minska kopplingen av sidovibrationer. De flexibla spänningsomvandlarna i dessa två strukturella former har egenskaperna låg resonansfrekvens, liten geometrisk storlek och hög elektroakustisk effektivitet.

Figur 5 Böjspänningsgivare med roterande kropp av platt typ

1.2 Forskningsframsteg för högfrekventa bredbandsgivare

Förutom detektionsavståndet som en viktig indikator på akustisk undervattensutrustning, är en annan utvecklingsriktning att erhålla den maximala mängden målinformation som huvudsyfte. Till exempel högupplöst bildekolod, akustisk undervattenskommunikation med hög datahastighet, etc. Det kräver högfrekvent drift, och arbetsfrekvensbandet är så brett som möjligt. Därför har högfrekvent bredbandsundervattens akustisk givare blivit en nyckelkomponent i systemet, liknande optik. Linsen i bildbehandlingssystemet är densamma.

 

Figur 6a är en högfrekvent bredbandsgivare med piezoelektrisk keramisk kolumn och matchande lager. Förhållandet mellan piezoelektriskt keramiskt avstånd och keramisk storlek och effekten av fyllnadsmaterial på bandbredden studeras. Den högfrekventa bredbandsgivaren med dubbelt matchande skikt som utformats i figur 6b använder piezoelektriska keramiska kolonner för att bilda en array och lägger sedan till en dubbel matchande skiktstruktur av metallskikt och hartskompositmaterial för att uppnå högfrekvent bredbandig akustisk emissionsprestanda. Figur 6c visar den designade 1-1-3 piezoelektriska sammansatta högfrekventa bredbandsgivaren, som består av 1-dimensionella anslutna piezoelektriska pelare och 1-dimensionella anslutna metallpelare anordnade parallellt i en 3-dimensionell ansluten polymermatris. Det trefasiga piezoelektriska kompositmaterialet bildas och den högfrekventa bredbandssändargivaren har utvecklats. Figur 6d visar den designade 1-3 piezoelektriska sammansatta högfrekventa bredbandsgivaren, som använder kopplingseffekten av tjockleksvibrationsläget och första ordningens tvärgående vibrationsläge för att realisera bredbandsdriftsegenskaperna. Figur 6e visar den designade piezoelektriska sammansatta högfrekventa bredbandsgivaren. Den piezoelektriska kompositringen erhålls genom att radiellt skära den piezoelektriska keramiska ringen och hälla epoxiharts. Därefter erhålls två piezoelektriska kompositringar med olika väggtjocklekar. Den sammansatta ringen är överlagrad för att bilda en radiellt strålande dubbelresonansgivare.

 

Figur 6 Högfrekvent bredbandsgivare