Teknologisk innovation i utvecklingen av akustiska undervattensgivare(2)

     Teknologisk innovation i utvecklingen av akustiska undervattensgivare(2)

Järn-galliumlegering (Galfenol) är en ny typ av magnetostriktiva material som har dykt upp de senaste åren. Dess magnetostriktiva töjning är mellan nickel och Terfenol-D, vid 300 ppm (ppm är en mikrovariabel, representerar ΔL/L=10-6) Ovanför, jämfört med Terfenol-D, har den fördelarna med högre relativ permeabilitet (>100), god bearbetningsförmåga, hög temperaturstabilitet och hög draghållfasthet. Eftersom järn-galliumlegeringsmaterialet har god bearbetningsprestanda och hög mekanisk hållfasthet, kan det användas för att designa och bearbeta flextensionsgivarens hölje. Figur 2b är ett forskningsexempel på en konkav cylinderformad böjningsgivare med ett hus av järn-galliumlegering. De undervattens akustisk givare drivs. Vibratorn är sammansatt av Φ20mm×40mm järn-galliumlegeringselement och neodym-järn-bor permanentmagnetskivor, och bildar en sluten magnetisk krets med det strålande skalet. Experimentresultaten visar att givarens emissionsströmsvar är 168,4dB (resonansfrekvens 1750Hz), vilket är bättre än duralumin av samma geometriska storlek. Husgivaren (resonansfrekvens 1900Hz) är förbättrad med nästan 5dB, vilket återspeglar designfördelarna med det aktiva huset.

 

Publicerad 2000, forskningsresultaten av magnetostriktiva-piezoelektriska gemensamma excitation bredband längsgående givare. Den längsgående omvandlaren drivs gemensamt av Terfenol-D-enheten och PZT-stacken, som realiserar bredbandsdriften av 1,8KHz och 3,5KHz dubbelresonanstoppkoppling. Egenskaper, litteraturen rapporterade också att 4×4 högeffekts planar array som består av denna typ av givare, ljudkällan nivå av arrayen är större än 225dB i 1,5-6kHz frekvensbandet.

 

Terfenol-D multi-unit driv longitudinell givare, författaren designade drivenheten på ett genialiskt sätt, dess struktur använder en permanentmagnethylsa för att applicera ett förspänningsmagnetfält för att separera det statiska magnetfältet från den dynamiska magnetiska kretsen, och den dynamiska magnetiska. är det fysiska diagrammet för drivenheten. 4 sådana drivenheter är mekaniskt kopplade i serie för att bilda en lågfrekvent längsgående ersättning med frontkåpan och stjärtmassan. Energianordningen, den centrala skruven är förspänd; Fig. 3c är den faktiska bilden av givaren efter förpackning, givarens resonansfrekvens är 1,6 kHz och ljudkällans nivå är 177bB.

 

Den magnetiska kretsdesignen för den magnetostriktiva givaren är mycket viktig. Butler tog den konkava cylinderformade flextensionsgivaren som ett exempel och jämförde arbetseffekterna av sex magnetiska kretsscheman genom finita elementanalys. De magnetiska kretsstrukturerna i Fig. 4a-f är respektive .Kontinuerlig sällsynt jordartsmetallstav plus rent järn magnetiskt permeabelt tillbehörsändlock och hylsa, kontinuerligt sällsynt jordartsmetallstång plus rent järngenomsläppligt tillbehörsändskydd, kontinuerligt sällsynt jordartsmetallstång utan rent järngenomsläppligt tillbehör, kombination av sällsynt jordartsmetallstav och permanentmagnetstycke plus rent järnändskydd och sällsynt jordartsstav och sällsynt jordartsledskombination, sällsynt jordartsmetall. magnetiskt permeabelt tillbehörsändlock av rent järn, sällsynt jordartsmetallstav och permanentmagnetstycke kombination utan rent järngenomsläppligt magnetiskt tillbehör, de effektiva elektromekaniska kopplingskoefficienterna beräknas till 0,33, 0,30, 0,27 respektive 0,23, 0,21 och 0,20, vilket indikerar att den effektiva elektromekaniska kopplingen från en sällsynt jordart. kontinuerlig sällsynt jordartsmetallstav till en sällsynt jordartsstav kombinerad med en permanentmagnetskiva. Ändskydden och hylsorna av rena magnetiska permeabla tillbehör har en viss effekt på att förbättra den elektromekaniska kopplingsprestandan hos vibratorn för sällsynta jordartsmetaller, men för drivande material med låg relativ permeabilitet som Terfenol-D är förbättringen liten, och den effektiva elektromekaniska kopplingskoefficienten bestäms av 0,20 till 0,3273 eller 0,3273 eller 0,3273.

 

 

2. En ny generation av piezoelektriska material och deras givare

Fram till första hälften av 1900-talet var alla piezoelektriska material enkristaller. Polykristallint piezoelektriskt keramiskt bariumtitanat upptäcktes först på 1950-talet, följt av blyzirkonattitanat (PZT) på 1960-talet. Prestandan hos dessa piezoelektriska keramer överstiger vida den hos tidiga enkristaller, och PZT har sedan dess blivit det huvudsakliga funktionella materialet för akustiska undervattensgivare.

I mitten av 1990-talet upptäcktes nya piezoelektriska enkristalliska blymagnesiumniobat-blytitanat (PMN-PT) och blyzink-niobat-blytitanat (PZN-PT), dessa två piezoelektriska enkristallmaterial. De har mycket hög mättnadstöjning (mer än 1%), låg förlust, (högkopplad) och 9 koefficient. visar de potentiella fördelarna med att öka effekten och bredda frekvensbandet i riktning mot den akustiska undervattensgivaren. Under de senaste åren har det ternära blyindiumniobat-blymagnesiumniobat-blytitanat (PIN-PMN-PT) och mangandopat blyindiumniobat-bly magnesiumniobat-blytitanat (Mn: PIN-PMN-PT) piezoelektriskt enkristallmaterial, vilket ytterligare förbättrar arbetsegenskaperna under höga elektriska fältegenskaper.

Tillämpningen av piezoelektriska enkristallmaterial som PMN-PT inom området för undervattensakustik startade från design och utveckling av longitudinella givare. Meyer och andra har utfört en rad forskningsarbeten, inklusive detaljerad analys av 33-läges och 32-läges PMN-PT longitudinella givare, och en jämförande studie med PZT-8. Figur 5a är en 33-mods longitudinell givare som drivs av en stapel av 10 PZT-8-skivor, Figur 5b är en 33-mods longitudinell givare som drivs av en stapel av 3 PMN-PT-skivor, och Figur 5c är en 4 PMN-PT-skivor med långa längder i form av en '2-formad 3-formad' mun. givare. Resultaten visar att när PMN-PT och PZT-8 används för att göra longitudinella givare med samma frekvens och emissionskälla nivå och andra parametrar, PMN-PT kristallen. Stacklängden är endast cirka 30% av PZT-8, vilket visar de tekniska fördelarna med piezoelektriska enkristallmaterial för att göra små givare; 32-läget kan göra att enkristallmaterialen skärs enligt bästa prestandaorientering, och samtidigt använda kombinationen av långa remsor. Det kan undvika tekniska problem som att växa stora enkla wafers, förbättra givarens tillförlitlighet och konsistens och har uppenbara fördelar för medel- och högfrekventa lättvikts-ekolodsapplikationer.

Enkristall har utvecklat en cylindrisk sändargivare sammansatt av inlagda ringar. Varje ring är uppbyggd av 12 kilformade remsor och 9 ringar är tätt sammansatta i axiell riktning för att bilda en cylinder. Den geometriska storleken (Φ20,3 mm×66 mm) Den är betydligt mindre än den piezoelektriska keramiska givaren med samma frekvens och realiserar bredbandsarbetsegenskaperna på mer än 2,5 oktav. Ett annat dokument använder PMN-PT enkristall för att utveckla en konkav cylinderformad flextensionsgivare. Transduktorns drivvibrator består av en stapel av 16 axiellt polariserade Φ28mm×Φ10mm×4,8mm element och ett vibrationsskal av titanlegering. Emissionsspänningsresponsen är förbättrad med mer än 5dB jämfört med samma strukturgivare av PZT-4-material.

Den trigonala-tetragonala fasövergångstemperaturen för PMN-PT-enkristaller är relativt låg, vilket begränsar dess tillämpningsområde i viss utsträckning, särskilt för tillämpningar under högeffektsförhållanden. Det ternära blyindiumniobat-blymagnesiumniobat-blytitanatet (PIN-PMN-PT) och mangandopad enkristall (Mn: PIN-PMN-PT) gör fasövergångstemperaturen för relaxorns ferroelektriska enkristall uppenbar. 0,26 till 0,15, och förlustfaktorn är bara 1/2 av den vanliga PZT-4 piezoelektriska keramen. Det finns också litteratur som använder dessa två nya enkristaller med formeln, PMN-PT och PZT-4 för att göra longitudinella givare och jämföra deras driftegenskaper med hög effekt, vilket bevisar att det nya formeln enkristallmaterialet är mer lämpat för högeffekts- och belastningscykelförhållanden. Ljudkällans nivå för PMN-PT-givaren är 5dB högre än den för PMN-PT-givaren vid resonansfrekvensen. Jämfört med PZT-4 piezoelektriska keramer, är ljudkällans nivå och effektkapaciteten vid resonansfrekvensen i princip likvärdiga, och arbetsbandbredden ökas med 1 gång, och den maximala ljudkällans nivå utanför resonansfrekvensen ökas med cirka 6dB.

 

Applikationsforskningen av PMN-PT enkristallmaterial fokuserar mest på medicinska högfrekventa ultraljudsavbildningssystem. Här är bara ett fall av applikationsforskning för Cymbal hydroakustiska givare, med användning av Φ12,7 mm×1 mm PMN-PT-element för att driva 0,25 mm tjockt titan.

 

2. Teknisk innovation av akustisk undervattensgivares struktur och teknologi

⒈Teknisk innovation för att förbättra strålens egenskaper

I moderna ekolod används i allmänhet olika grundläggande arrayer för att uppnå de erforderliga strålegenskaperna. Men när givarens installationsöppning är begränsad och det finns särskilda krav på strålkarakteristiken, måste tekniska åtgärder vidtas för att kontrollera givarens strålkarakteristika. De viktigaste tekniska tillvägagångssätten för förbättring inkluderar: baffelapplikation, modal superpositionsteknik med användning av dipoler och multipoler, etc. Det här avsnittet väljer några typiska forskningsexempel, med fokus på analys och sammanfattning av användningen av modala superpositionsmetoder för att förbättra strålegenskaperna hos givaren Tekniska prestationer.

⑴Användning av baffeln för att förbättra givarens strålegenskaper

I det tidiga ekolodssystemet användes i allmänhet en oberoende givare. När riktningsförmågan inte kan uppfylla kraven, används reflektionen av baffeln för att styra transmissionsstrålen, vilket huvudsakligen innefattar att passera genom en platt baffel, en cylindrisk baffel och en sfärisk baffel. Plåt- och konbaffel för att ändra riktningen för cylindriska givare, kolvgivare, sfäriska givare, etc., tillgodoser i viss mån behoven för envägstransmissionsstrålestyrning, som visas i figur 6, användningen av dubbla koner. Den reflekterande baffeln justerar riktningen hos den magnetostriktiva toroidformade givaren, realiseras den radiella sidotransduktorn och radiatorisk givare.

 

Det finns en litteratur om att 3kHz typ IV flextensionsgivare är placerad nära fokus på den paraboliska reflektorbaffeln, så att typ IV flextensionsgivare med sin egen icke-riktade givare kan uppnå enkelriktade strålningsegenskaper. Experimentet erhåller en envinklar öppningsvinkel på 83°. Till strålen är responsskillnaden fram och bak 21dB.

⑵ Modal kombination riktningsgivare

Olika strukturella givare har olika multi-order vibrationslägen. Resonansgivare fungerar i allmänhet baserat på grundfrekvensvibrationsläget. Olika vibrationslägen kommer att motsvara deras effektiva excitationsmetoder, så en kombination av excitationsmetoder kan användas. Förverkliga superpositionsdrivningen av flera vibrationslägen, för att uppnå syftet med att ändra egenskaperna hos den sändande strålen. Huvudlägena som kan ändra strålkarakteristiken för givaren genom kombination inkluderar monopolläge, dipolläge och kvadrupolläge, etc. Dessa grundläggande lägen kan uppnå en mängd olika riktningsmönster genom viktad kombination. I detta avsnitt, i kombination med specifika litteraturresultat, görs en kort analys och sammanfattning av processtekniken och excitationsmetoderna för olika strukturella givare för att uppnå modal överlagring.

Excitations-multimodsarbete antar i allmänhet partitionsexciteringsmetoden, såsom: piezoelektriskt keramiskt rör eller sfäriskt skal använder ofta metoden med delad elektrod, se figur 7a, b; magnetostriktiv polygon ( ring) givare, antar oberoende kantexcitering vägen.

 

Butler et al. designade och utvecklade en 'modal transducer', som fortfarande använder designidén för partitionsexcitering, men bryter igenom begränsningen av uppdelningen av oberoende komponenter, med hjälp av 8 oberoende 1/4 longitudinella vibratorer för att dela svansmassan, varje givare. givare. Givarens geometriska storlek begränsas inte av processförhållandena för de oberoende elementen, och den förspända strukturens längdriktning antas samtidigt. Vibratorn har tekniska fördelar för konstruktion av lågfrekventa och högeffektsriktade sändargivare. Figur 8 visar de grundläggande modala vibrationsformerna för den 'modala givaren'. Modala givare baserade på PZT-8 piezoelektrisk keramik, PMN-PT enkristall och Terfenol-D jättemagnetostriktiva material har designats och utvecklats. Den har erhållit en kardioid riktad sändande stråle med ett riktningsindex på 6dB och en skillnad på 25dB i front-to-back respons.

 

Det är en annan typ av lågfrekvent och hög effekt riktad emissionsgivare – en zonexciterad flextensionsgivare. I konstruktionen utsätts den piezoelektriska stapeln (eller magnetostriktiva vibratorn) hos flexionsspänningsgivaren för zonexcitering, med hjälp av kombinationen av monopol- och dipollägen överlagras för att bilda en kardioid riktad emissionsstråle. Figur 9a är en 900 Hz riktningsomvandlare typ IV flextensionsgivare, och figur 9b är en 3kHz riktningstyp VII flextensionsgivare.

Litteraturen studerar en bredbands cylindrisk multimodsgivare med en baffelplatta (visad i figur 10). Elektroderna i det piezoelektriska keramiska cylindriska röret är lika uppdelade i två grupper och exciteras oberoende för att erhålla en monopol (0-läge) och en dipol (1-läge), och sedan samarbeta med baffeln för att realisera den ensidiga riktade emissionen. Forskningsarbetet använder också fasförhållandet mellan lägena för att designa en oberoende effektförstärkare och avstämningskrets, genom lågfrekvensen '0+1' och högfrekvensen '0 + 1'. －1' Modal kombinationskontroll förverkligar bredbandsarbetsegenskaper. Givaren använder 4 PZT-4 piezoelektriska runda rör på Φ38.2mm×Φ31.8mm×19mm i höjdriktningen, och storleken efter förpackning är Φ48mm×79mm. Baffeln är gjord av kork-semilaminerade delar. cylindrisk yta har en tjocklek på 6 mm, och emissionsspänningssvaret fluktuerar med 6dB i frekvensbandet 26-46kHz.

2. Teknisk innovation för att förbättra frekvensegenskaper

Med den flerriktade utvidgningen av tillämpningsriktningen för akustisk undervattensteknik har arbetsfrekvensområdet för aktiva ekolodssystem kontinuerligt utökats. Bland dem har arbetsfrekvensen för högupplöst bildekolod ökat till 106Hz, och arbetsfrekvensbandet för ultralångdistansdetektering och kommunikationekolod är ännu lägre. Under 100 Hz; å andra sidan kräver utvecklingen av ekolodsinformationsbehandling att givarens arbetsfrekvensband är så brett som möjligt. Därför har lågfrekventa givare och bredbandsgivare rönt stor uppmärksamhet inom det akustiska undervattensområdet de senaste åren, och forskningsresultaten är ganska rika. Det finns dock fortfarande många teoretiska och tekniska problem som inte har lösts väl. Denna aspekt kommer fortfarande att vara forskningshotspot och fokus för framtida utveckling. Detta avsnitt väljer ut forskningsarbetet i riktning mot lågfrekventa givare och bredbandsgivare, och analyserar och sammanfattar dem. Innovativa idéer och nya tekniska landvinningar.

⑴ Innovativ design av lågfrekvensgivare

①Böjd vibrations lågfrekvent givare

Det första tekniska problemet som utvecklingen av lågfrekventa givare står inför är geometrisk storlek. I allmänhet är arbetsfrekvensen för resonansgivare omvänt proportionell mot den geometriska storleken, det vill säga ju lägre frekvens omvandlaren är, desto större är den geometriska storleken, såsom 500 Hz longitudinell omvandling. Längden på energianordningen är ca 3m. Böjningsvibrationer kan effektivt minska den geometriska storleken på lågfrekventa givare. Bland dem inkluderar givare vars funktionella enheter direkt deltar i böjvibrationer huvudsakligen böjstrålegivare, böjskivgivare, etc.

Figur Ila visar en typisk trestaplad böjbalkstruktur. En bit piezoelektriska keramiska remsor klistras på toppen och botten av bockningsbalken. När en av de piezoelektriska keramiska remsorna sträcker sig och den andra drar ihop sig när den exciteras, kommer metallbalken i mitten att producera böjningsvibrationer. Denna typ av energiomvandling Enheten måste utsättas för vatten på ena sidan för att utstråla ljudvågor, så vanligtvis kombineras flera krökta strålar för att bilda en luftkavitet, som visas i figur 11b, varje utstrålande yta vibrerar i fas.

 

En liknande arbetsprincip kallas en böjd skivomvandlare med skivstruktur, som även inkluderar en treskikts- och dubbellaminerad struktur. Figur 11c visar en kompakt krökt skivomvandlare sammansatt av ett par dubbellaminerade ark. (Bender). Delany-systemanalys undersökte Benders lågfrekventa, liten storlek och högeffekts driftsegenskaper.

Utvecklingen av lågfrekventa givare för böjningsvibrationer inkluderar också en ny strukturdelad toroidal givare (visad i figur 12). Den delade toroidformade givaren kan betraktas som en speciell böjningsstrålegivare. Den ursprungliga strukturen föreslogs av Harris 1957. Den sammansatta ringbalken bestod av en inre piezoelektrisk keramisk ring och en yttre metallring. Modelleringen och analysen av givaren baserades på 'stämgaffelmodellen' som visas i figur 12b, och drivelementet justerades till en delad struktur. Den delade ringgivaren kan utformas med en större storlek och massan kan justeras genom tjockleksfördelning-styvheten för att uppnå optimering av driftfrekvensen och strålningsegenskaperna, som visas i figur 12c.

 

②Böjspänningsgivare

Konceptet med flextensionsgivaren startade från Hayes patent 1936. Efter att Toulis publicerade patentet för flextensionsgivaren av IV-typ 1966, började forskningen och tillämpningen av flextensionsgivaren vara aktiv, och det har varit mer än hälften av dem hittills. Under århundrade utvecklingshistoriens har olika strukturella former av flextensionsgivare fötts, och deras arbetsprinciper och strukturella processer är fulla av innovativa designidéer. Vi kan inte introducera dem en efter en i den kronologiska ordningen av deras utveckling, bara flextensionomvandlarna. Bolagets struktur och incitamentsmetoder är indelade i följande tre kategorier, som kortfattat analyseras och sammanfattas.

△Böjspänningsgivare med cylindrisk struktur. Denna typ av givare drivs av en longitudinell teleskopisk vibrator för att förflytta det böjliga vibrationsskalet, som visas i figur 13. Givarens vibrerande skal är en translationsstruktur, det vill säga en cylindrisk yta av olika former, driven av en eller flera longitudinellt teleskopiska vibratorer, a är typ IV transducer flextens, b är typ IV transducer flextens. anordning, c är en 'stjärnformad' böjspänningsgivare som drivs av en ortogonal piezoelektrisk stapel, och en 'stjärnformad' böjspänningsgivare som drivs av en fyrsidig magnetostriktiv vibrator. Eftersom denna typ av omvandlare är lätt att konstruera en uppdelad excitationsvibrator, väljer den riktningsflexibla spänningsomvandlaren som beskrivs ovan i allmänhet denna typ av struktur.

△Böjspänningsgivare med lång roterande kropp. Denna typ av givare drivs av en longitudinell teleskopisk vibrator för att driva ett rotationssymmetriskt böjande vibrationsskal, som visas i figur 14. Givarens vibrerande skal är en rotationssymmetrisk struktur, inklusive en serie trumbalkar fördelade längs omkretsen, vilka generellt drivs av ett longitudinellt teleskopiskt vibrationsskal. Figurerna 14a och b är de konvexa formerna av typ I flextensionsomvandlare Struktur och konkav struktur; såsom visas i figur 14c förlängs den längsgående excitationsvibratorn hos omvandlaren i axiell riktning för att öka volymen av det funktionella materialet för att utvecklas till en typ II flexsträckomvandlare; som visas i figur 14d är det böjbara vibrationsskalet utformat i form av två eller flera sektioner, det är utvecklat till en typ III flexsträckomvandlare. Både typ II och typ III flextensionsgivare har motsvarande konkava strukturer.

△Böjspänningsgivare med platt roterande kropp. Denna typ av givare drivs av en radiellt expanderande vibrator för att driva ett rotationssymmetriskt böjt vibrationsskal, som visas i figur 15. Givarens vibrerande skal är en rotationssymmetrisk struktur, vanligtvis ett par konvexa eller konkava sfäriska kronor (eller sfäriska kronor), som drivs av en radiellt drivande ring eller en skiva-ring. V-typ flextensionsgivare, b är en waferdriven flextensionsgivare av V-typ, c är en typ VI flextensionsgivare, d och e är små flextensionsgivare utvecklade på basis av struktur b. Enheten kallas Cymbal transducer.

△ Kavitetsstruktur lågfrekvent givare. Helmholtz-resonator är den grundläggande formen av akustisk undervattensgivare med kavitetsstruktur, som visas i figur 16. a, b och c är de tre grundläggande strukturerna för Helmholtz-resonatorer, som använder piezoelektrisk keramisk tubexcitation, böjskivaexcitation och piezoelektrisk keramisk kulexcitation. Helmholtz-resonatorer har i allmänhet ett smalt arbetsfrekvensband, och d används på basis av b. Den krökta skivans dubbla arbetsytor exciterar resonanshålrummen med olika volymer för att realisera dubbelresonansoperationen. Litteraturen etablerade en mer komplett Helmholtz-resonatoranalysmodell och analyserade förhållandet mellan arbetsegenskaperna och strukturella parametrar för 300HZ Helmholtz-resonatorn. Morozov et al. designat en ljudkälla för en undervattenspiporgel (visas i figur 17). Utformningen av figur 17a realiserar frekvensavstämning genom att flytta hylsan för att ändra impedansen hos resonanssystemet. Inställningsfrekvensen sträcker sig från 225 till 325 Hz, och effektiviteten är upp till 80 % eller mer, vilket återspeglar systemet med hög Q (kvalitetsfaktor) med höga effektivitetsegenskaper; Figur 17b Konstruktionen använder en dubbelrörsstruktur med en inbyggd sfärisk ljudkälla för att uppnå dubbelfrekvensresonans. Lågfrekvensresonansen är en kavitetsresonans som består av en dubbelsektionshylsa. Högfrekvensresonansen är endast den resonans som motsvarar det inre resonansröret. Den yttre hylsan och det inre resonansröret kan använda metalliskt aluminium eller icke-metalliska kolfibermaterial.

⑵ Innovativ design av bredbandsgivare

I historien om utvecklingen av akustisk undervattensteknik har en mängd olika strukturella former av akustiska undervattensgivare producerats, var och en med arbetsegenskaper som bestäms av dess strukturella egenskaper. För att anpassa sig till de tekniska behoven för bredbandstillämpningar, står nästan varje strukturell givare inför de tekniska problemen med bredbandsdesign och processförbättringar. Bland dem är den längsgående givaren en av de vanligaste strukturella formerna av givare inom området undervattens bredbandsgivare . Forskningsresultaten för bredbandsdesign och tillämpning är ganska rika. De tekniska principerna för bredbandsdesignen för andra strukturella givare är i grunden likartade. Det här avsnittet fokuserar på en serie nya designidéer baserade på longitudinella givare för att uppnå bredbandsegenskaper.

① Bandkombination bredbandslängdsgivare

Tillämpningen av frekvensbandskombinationer har redan börjat i ett tidigt skede av utvecklingen av ekolodsteknologi. Tidiga arbeten sågs på 1940-talet. Tre magnetostriktiva longitudinella givare med olika resonansfrekvenser användes för att driva en rektangulär strålande platta och sex givare i ett stegarrangemang. Drivs av en gemensam lindningsspole (visad i figur 18), är de oberoende resonansfrekvenserna för givaren 21,5, 23 respektive 24,5 kHz, Q=12 och Q=4 efter kombinationen. Även om denna frekvensbandskombinationsmetod inte strikt är en bredbandsgivare, används den fortfarande i stor utsträckning inom området för undervattensakustik, särskilt i akustiska system som brussimulering och akustiska lockbeten. Enhetskombinationen realiserar emissionsegenskaper för ultrabredband.

 

② Modal koppling bredband längsgående givare

Den längsgående givarens främre lock antas vanligtvis vibrera på samma sätt som en kolv vid analysen av den endimensionella modellen, det vill säga ingen böjningsvibration uppstår. När hornet på givarens utstrålande yta är relativt brett, måste det åtföljas av böjningsvibrationer, vilket är rimligt. Genom att använda det främre höljets böjningsvibrationsläge för att effektivt koppla det till det längsgående vibrationsläget, kan en bredbandig längdgivare utformas. Litteraturen har studerat kopplingseffekten av böjningsvibrationer och longitudinella vibrationer hos den fyrkantiga strålande täckplattan och designat en bredbandsgivare. I en annan litteratur är en vibrerande och böjande skiva inbäddad i strålningsskyddet, och böjskivan är kopplad till vibrationsläget för den längsgående givaren, och bredbandsgivaren är utformad och utvecklad som visas i figur 19a. Den piezoelektriska stapeln av den längsgående givaren kan utformas i flera grupper. Såsom visas i figur 19b är det basstrukturen för omvandlaren som använder dubbel excitationsmodal koppling för att uppnå bredbandsdrift. Butler är baserad på strukturen hos den dubbla exciteringslängdgivaren. Djupgående utveckling, såsom användningen av magnetostriktiv och piezoelektrisk hybrid dubbel excitation för att designa en bredbandig longitudinell givare, och frontluckan för att klistra in ett 1/4 våglängdsmatchande lager, och designa en tredje ordningens resonanslägeskoppling ultrabredbands longitudinell givare. Enheten, som visas i frekvensbandet 1 till 3, har ett frekvensband 1 till 3. 37 kHz.

③Längsgående bredbandsgivare i kombination med vätskehålighet

Den typiska utformningen av kopplingen mellan den längsgående givaren och vätskekaviteten är Janus-Helmholtz-givaren (visad i figur 20). Den längsgående omvandlaren antar en strålande struktur med dubbla ändar, kallad Janus, med en cylindrisk hylsa utformad för att bilda en Helmholtz-resonanshålighet mellan Janus dubbla strålande huvuden; den allmänna vätskehålighetsresonansgivaren har ett smalt arbetsfrekvensband. I Janus gemensamma applikation kan bredbandsöverföring realiseras genom optimerad design av modal koppling.

Gall designade två Janus-Helmholtz-givare, 300Hz och 160Hz, och studerade på djupet effekten av att lägga till ett kompatibelt rör i Helmholtz-resonanshålrummet på givarens bredbandsdriftsegenskaper.

⒊Teknisk innovation för att förbättra kraften hos utsänt ljud

Det direkta sättet att öka ljudeffekten hos en akustisk undervattensgivare är att öka volymen på givaren, öka antalet och bilda en tätpackad matris. Den mest effektiva metoden är att använda funktionella material med hög energidensitet. De föregående kapitlen har förklarat tillämpningen av funktionella material med hög energidensitet. Det här avsnittet fokuserar på de tekniska innovationerna i strukturen och processen för högeffektsgivare med små volymer.

För att beskriva fördelarna och nackdelarna med givarens ringa storlek och höga effektegenskaper, används generellt värdevolymen för att mäta, nämligen

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Formel ⑴ definierar volymförtjänstfaktorn för en viss typ av givare, där: Wa är ljudeffekten (W), V är givarens volym (m3), f0 är resonansfrekvensen (Hz), Q är kvalitetsfaktorn, Volymförtjänstfaktorn för enheten är nära relaterad till strukturen och funktionella material. Delany designade och utvecklade en kompakt böjd skivomvandlare (Bender), och analyserade och studerade systematiskt arbetsegenskaperna hos Benders lågfrekventa, liten storlek och högeffektsdrift.

 

 

Det finns litteratur som designar den konkava strukturen typ I (konkav cylindertyp) böjspänningsgivare till en mer kompakt kombination, vilket gör det möjligt för flera givarkluster i en begränsad volym för att maximera volymförskjutning och uppnå stora effektegenskaper, som visas i figur 21, spetsen av 6 typ I flexibla spänningsgivare är sammansatta av en 'stjärndimensionell' flextensionsgivare, som har egenskaperna för kompakt struktur, låg frekvens, hög effekt och brett frekvensband: fundamental resonansfrekvens Sändningsspänningssvaret vid 1,15 kHz är 127dB, rundstrålande, och sändningsspänningssvaret från 800Hz till 10kHz är större än 120dB. FOMv-parametern anges inte i litteraturen, och den förväntas vara likvärdig med eller högre än den 'stjärnformade' flextensionsgivaren.

Ovanstående design och analys för strävan efter liten storlek och hög effekt utgår i princip från de elektriska och mekaniska gränserna och tar endast hänsyn till energitätheten hos funktionella material och strukturens vibrationsgräns. När givaren kräver lång puls eller kontinuerlig drift, kommer värme- och värmeavledning av givaren att vara det största problemet under högeffektsförhållanden. Vid denna tidpunkt är den termiska gränsen den huvudsakliga faktorn som begränsar givarens sluteffekt. Givarens termiska gräns är en av de viktiga grundläggande frågorna som berörs inom teknik. Precis som processdetaljerna för transduktorn finns det inte många offentligt rapporterade forskningsartiklar. Det finns litteratur för att modellera och analysera de termiska problemen med lågfrekventa och högeffektsgivare, och diskutera de termiska ledningsproblemen för Janus-Helmholtz och Typ IV flextensionsgivare. När givaren arbetar i grunt vatten, speciellt lågfrekvent och hög effektöverföring, kommer ökning av ljudeffekten också att begränsas av kavitationsfaktorns akustiska gräns. Under denna bakgrund är metoden att öka effekten hos en enda givare inte längre effektiv. Basmatrisen kommer också att vara begränsad, så att det bara finns ett sätt att bilda en gles basmatris.

Därför, när man designar lågfrekventa och högeffektsgivare, är det nödvändigt att rationellt välja den strukturella formen och drivfunktionsmaterialen, med hänsyn till faktorer som elektrisk gräns, mekanisk gräns, termisk gräns och akustisk gräns, och göra en övergripande analys och omfattande optimering. Det finns ett optimalt förhållande mellan gränseffekten och givarens volym. Djupgående forskning om detta kommer att vara en av de tekniska riktningarna för lågfrekventa och högeffektsgivare i framtiden.

 

⒋Teknologisk innovation för att öka motståndet mot hydrostatiskt tryck

För närvarande har den akademiska världen föreslagit utvecklingsidéer som transparenta hav och informatiserade hav. Målet är att tillåta undervattensinformationsteknik att täcka alla hörn av havet, inklusive polarområden och avgrundsgravar. Därför lägger de fram krav på användning av akustiska undervattensgivare på ett större djup. Till och med utmana förmågan att arbeta på djupa hav. Givarens hydrostatiska tryckmotståndskapacitet är nära relaterad till givarens struktur, speciellt för lågfrekventa emissionsgivare med låg strukturell styvhet. Att lösa den hydrostatiska tryckmotståndsstrukturtekniken har blivit ett viktigt ämne inom det aktuella givarteknologiområdet. De nuvarande effektiva metoderna och metoderna för att lösa arbetsdjupet inkluderar huvudsakligen vätskepåfyllning, följsam rörmatchande vätskefyllning, naturligt strukturellt stöd, högtrycksgascylinderkompensation, krockkuddekompensation, etc., på arbetsdjup över 1000m, den enda effektiva tekniska metoden är vätskefyllningsteknik, inklusive den fria översvämningstypen använder direkt havsvatten eller fyllnadsmedier för fyllning av olja för att fylla på olja som självfyllning; inom 1000 m kan det tryckbeständiga överensstämmelseröret användas i vätskehålrummet samtidigt för att förbättra vätskehålrummets följsamhet; Inom 200m kan strukturens naturliga stöd motstå hydrostatiskt tryck. Vissa givare med mycket låg strukturell styvhet (t.ex. rörliga spolgivare) kan använda högtrycksluftcylindrar för att ge tryckkompensation. Generellt sett kan krockkuddekompensation användas inom 100 m. Kavitetsstrukturgivaren introducerad ovan kan generellt utformas som ett vätskefyllt arbetssätt för att uppnå djupvattenarbete. I detta avsnitt ges flera tillämpningsexempel på oljefylld strukturkonstruktion.

 

Kendigs . forskningsarbete publicerat 1965, kombinerad applicering av 4 PZT-4 piezoelektriska keramiska skivdrivna longitudinella givare, fyllda med silikonolja för att skydda tomrummet som bildas mellan stålskalet (inklusive den ljudöverförande gummiplattan) och givaren. Kaviteten är ansluten till den bakre vätskekammaren Det främre ljudgenomsläppliga gummit och det bakre gummifönstret är i kontakt med havsvatten för att uppnå inre och yttre tryckbalans. Omvandlarens arbetsbandbredd är 30-50 kHz, och arbetet inom det hydrostatiska tryckintervallet 0-6,9 MPa har studerats experimentellt. Karakteristiskt är att denna tryckbalansmetod fortfarande används i många djupvattensonarer. Figur 22b visar en toroidformad givare med fritt överflöde med en oljefylld struktur. Den piezoelektriska keramiska ringen är upphängd i en polyuretangummihylsa, och insidan är fylld med silikonolja för att uppnå tryckbalans med omvärlden. Polyuretangummihylsan är idealiskt ljudöverförande material, denna typ av givare har liknande arbetsegenskaper som den direkta infusionsbeläggningsformen av polyuretangummi. För PZT-4 runda rör Φ 150mm ×Φ 140mm × 50mm, simuleringsanalys och experimentstudie av polyuretangummi i frekvensområdet 5 ~ 10kHz Materialet i hylsan ersätts med titanlegering eller stål. Som ett resultat minskar titanlegeringen emissionsspänningssvaret med cirka 6dB, och stålet minskar emissionsspänningssvaret med cirka 12dB.

 

3. Slutsats

Om man tittar på givarteknologins hundraåriga utvecklingshistoria, från födelsen av den första piezoelektriska omvandlaren till den kraftfulla utvecklingen av modern givarteknik, har tekniska innovationer inom akustiska undervattensgivare ofta dykt upp. Huvudmålen för innovation och utveckling av transduktorteknologi inkluderar: förenkla komplexa processer, bryta igenom tekniska flaskhalsar, skriva om tekniska gränser, förbättra omfattande teknisk prestanda, föreslå nya koncept och nya mekanismer, generera och utveckla nya tekniska riktningar, och fördjupa och perfektionera teorin om transduktordiscipliner System och så vidare. Den här artikeln introducerar några forskningsfall som återspeglar givarens innovativa design och utsökta hantverk från aspekter av ny materialapplikation, ny givares struktur och teknologi, etc.