Teknologisk innovation i utvecklingen av akustiska undervattensgivare(1)

Teknologisk innovation i utvecklingen av akustiska undervattensgivare

 

 

70,8 % av jordens yta är havet. Det vidsträckta havet är det största skatthuset av resurser på jorden, och havet är också en viktig position för internationella militära kamper. Forskning, utveckling och utnyttjande av havet är oskiljaktiga från ljudvågor. Ljudvågor är den enda informationsbärare som kan resa långa sträckor i havet. Utforskning och utveckling av marina resurser, undervattenskommunikationsgivare och navigering av fartyg, detektering och igenkänning av undervattensmål, miljöövervakning och naturkatastrofer och så vidare är beroende av akustisk undervattensteknik för att uppnå detta. Utvecklingen av akustisk undervattensteknik kräver stöd av alla typer av akustiska undervattensgivare. Uppdraget för akustiska undervattensgivare är att sända och ta emot ljudvågor under vattnet, så det kallas 'ögon och öron av undervattens akustisk utrustning', som kan sägas vara akustiska undervattensgivare. Födelsen av 'H' markerar början på utvecklingen av hydroakustisk teknik. Den tekniska utvecklingen av hydroakustiska givare är en viktig förutsättning och grund för den snabba utvecklingen av hydroakustisk teknik(1)

 

De akustisk undervattensgivare är inte ett enkelt isolerat ämne, utan ett multidisciplinärt tekniskt område. De närbesläktade ämnena omfattar främst: fysik, materialvetenskap, matematik, mekanik, elektronik, kemi, mekanisk vetenskap, etc., så undervattensakustik Även om givaren bara har en historia av mer än hundra års utveckling har den nu blivit ett levande ämnesområde. Det akuta behovet från området för hydroakustisk teknik är den direkta drivkraften för utvecklingen av hydroakustiska givare, och utvecklingen av funktionella material och tekniska framsteg är den viktigaste materialbasen för utvecklingen av hydroakustiska givare. Under hela utvecklingshistorien för hydroakustiska givare, för att möta de ständigt ökande tekniska kraven inom hydroakustikområdet i största utsträckning, uppdateras motsvarande funktionella material ständigt. Människor har utfört speciell applikationsforskning kring egenskaperna hos olika funktionella material och designat ny teknik och nya strukturer har föreslagits, som har förbättrat och förbättrat givarens omfattande tekniska prestanda, vilket har möjliggjort en oändlig ström av innovativa forskningsresultat på givaren. Författaren väljer ut några typiska forskningsexempel på lanseringstransduktorer, analyserar och sammanfattar de innovativa idéerna i detta forskningsarbete från flera olika vinklar, och hoppas kunna ge unga forskare viss vägledning och upplysning, och aktivt utforska de djupgående aspekterna av klassiskt forskningsarbete.

 

1. Teknisk innovation av akustisk undervattensgivare baserad på funktionella material

 

1915 använde Paul Langevin från Frankrike och andra en kondensatorsändare och en kolpartikelmottagare för att utföra akustiska undervattensexperiment. Dessa två sändande och mottagande enheter bör vara primitiva akustiska undervattensgivare; 1917 ～ 1918 Langevin Zhiwan designade och förbättrade kvartsgivaren. Dess vibrator är sammansatt av flera piezoelektriska kvartsplattor inklämda mellan två tjocka stålplåtar. Denna struktur kallas Langzhiwan-givare. Eftersom naturlig kvarts inte kan möta den ständigt ökande efterfrågan, fann man att det vattenlösliga syntetiska piezoelektriska kristallsaltet Rochelle har en starkare piezoelektrisk effekt än kvarts, men dess stabilitetsproblem begränsar tillämpningsområdet och piezoelektriciteten är något sämre. Ammoniumdivätefosfat (ADP)-kristaller, på grund av deras relativt stabila egenskaper, användes i stor utsträckning under andra världskriget. 1920 applicerades den magnetostriktiva effekten i akustiska undervattensgivare; 1925 designades och applicerades nickelmagnetostriktiva givare; 1931 ledde den djupgående studien av tunna nickelskivor till den snabba utvecklingen av magnetostriktiva givare. Och gradvis ersatt piezoelektriska kristallgivare; 1944 upptäcktes det att bariumtitanatkeramik har stark piezoelektricitet efter polarisering, och dess förlust är mycket mindre än för magnetostriktiva material. Senare bariumtitanat piezoelektriska keramiska givare Det har utvecklats snabbt; den polariserade blyzirkonattitanatkeramen (PZT) som upptäcktes 1954 har starkare piezoelektricitet. Än idag är PZT piezoelektrisk keramik fortfarande de viktigaste funktionella materialen i akustiska undervattensgivare.

 

På 1970-talet utvecklade Dr. Clark AE i USA den sällsynta jordartsmetallgiganten magnetostriktiva ternära legeringen Terfenol-D. Sedan 1990-talet har de relaxerande ferroelektriska enkristallmaterialen PZN-PT och PMN med högspänningselektriska egenskaper och hög energitäthet -PT upptäckts efter varandra, och nya genombrott har gjorts i tillämpningsforskningen av dessa tre material. Detta avsnitt kommer att fokusera på forskningsresultaten för dessa nya funktionella materialtransduktorer.

 

⒈En ny generation av magnetostriktiva material och deras givare

Den nya generationen av magnetostriktiva material inkluderar sällsynta jordartsmetallegeringsmaterial och sällsynta metallegeringsmaterial. Den gigantiska magnetostriktiva effekten av sällsynta jordartsmetallegeringsmaterial upptäcktes först under låga temperaturförhållanden. Den högsta magnetostriktiva töjningen av Tb0.6Dy0.4-materialet vid 77K är 0,65 %, och den högsta magnetostriktiva töjningen av Terfenol-D vid rumstemperatur är 0,25 %. Det finns dokument som visar att en magnetostriktiv dubbelkolvs longitudinell givare driven av en supraledande spole har utvecklats. Den magnetostriktiva staven av sällsynt jordartsmetall (terbium-dysprosium) placeras i ett luftkonditioneringsrum (temperatur 50-60K), och kyltornet cirkuleras och kyls av kyltornet i kylskåpet. I rummet tillhandahåller en supraledande materialspole ett likströmsförspänningsmagnetfält och ett magnetiskt excitationsfält för att excitera den magnetostriktiva staven för att generera sträckande vibrationer och överföra den till den strålande ytan av kolvtyp genom det mekaniska övergångsstycket. Den strålande ytan av kolvtyp trycker på vattenmediet för att generera tryckvågor för strålning. 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: resonansfrekvensen är 430Hz, den maximala ljudkällans nivå är 181,4dB och effektiviteten är cirka 25%. Detta undervattenshydrofongivare komplicerar tillverkningsprocessen för att erhålla arbetsförhållanden vid låga temperaturer. Under de senaste åren har människor varit villiga att använda Terfenol-D-materialet som fungerar vid rumstemperatur för att förenkla tillverkningsprocessen, samtidigt som de uppnår utmärkt strålningsprestanda med en ny struktur.

 

Det är den Terfenol-D-drivna oktagonala sändargivaren färdigställd av Butler lika med 1980. 16 sällsynta jordartsstavar är arrangerade i två skikt, och 8 sällsynta jordartsstavar i varje skikt är anslutna till en oktagon genom ett kilformat övergångsblock och bildar en sluten magnetisk krets, övergångsblocket i den centrala delen av cylindern är ansluten till den utstrålande delen av en 4 (c) och den sällsynta jordartsstaven är förspänd genom höghållfasta spänningstrådar mellan övergångsblocken. Den interna förspänningen för staven med sällsynta jordartsmetaller är cirka 13,8 MPa, och givarens resonansfrekvens i vatten Vid 775 Hz jämfördes den icke-linjära drivningen under likströmsförspänningsmagnetfälttillståndet och det opåverkade fälttillståndet, och ljudkällans nivå 189,8dB under likströmsförspänningsmagnetfältsförhållandet realiserades under likströmsförspänningsförspänningsförhållandet 2-förspänningsförhållandet och 196 realiserades under likströmsförspänningsförspänningsförhållandet n-bias. respektive.