Новий тип підводного акустичного перетворювача та нова технологія перетворювача

Акустичні хвилі є єдиним носієм, який є у людини, який може передавати інформацію та енергію на великі відстані у величезному океані. На суші люди використовують електромагнітні хвилі для створення радарів. Подібним чином люди використовують акустичні хвилі як носії інформації для розробки підводних цілей для виявлення та електронного обладнання для позиціонування, ідентифікації та комунікаційного сонара. Звертаючись до величезного океану, ехолот виконує важливу місію, яка досягає всіх куточків величезного океану, визначає різні речі в ньому, які розповідають людям справжнє обличчя підводного світу, і допомагають людям у дослідженні таємниць океану, щоб стати підводною навігацією, водним рибальством, розробкою морських ресурсів, морською геологією та дослідженням геоморфології. Причина, чому звукові хвилі стають найкращим носієм підводної інформації, полягає в тому, що у воді звукові хвилі мають найменший коефіцієнт загасання порівняно з іншими фізичними полями, такими як електромагнітні хвилі, і можуть передаватися на великі відстані. Ця перевага робить гідролокатор за допомогою ультразвукових хвиль для спостереження під водою з самого початку. Мета починається і продовжує розвиватися. В даний час робоча смуга частот гідролокатора розширена до широкого діапазону. Активний ехолот був розширений з десятків Гц до десятків МГц, а низькочастотний кінець пасивного ехолота розширено до інфразвукового діапазону. У такій широкій смузі частот, згідно з правилами, важливий пристрій, який стимулює та генерує звукові хвилі у формі сигналів і почуттів і приймає звукові хвилі у воді без спотворень, називається перетворювачем гідролокатора або масивом гідролокатора. Ці пристрої є переднім обладнанням гідролокаційної системи, а також «вікном» для взаємодії гідролокаційної системи з водним середовищем та обміну інформацією, а також є «реалізаторами» функцій гідролокаційної системи для датчиків гідролокатора або масивів гідролокаторів. Його яскраво називають «очі та вуха» гідролокаційної системи. З безперервним розширенням області застосування гідроакустичної технології та постійно зростаючим попитом на військову конфронтацію та бойові дії один за одним, один за одним з’являються нові принципи, нові технології та нове гідроакустичне обладнання. Вимоги до розробки нової сонарної технології спричинили швидкий розвиток технології перетворювачів, а також такі ж технологічні прориви в області перетворювачів і розробку нових матеріалів, нових механізмів і нових структур підводні акустичні перетворювачі також зробили систему ехолота «оновленою». Ось короткий огляд стану розвитку технології перетворювачів за останні роки на основі інформації, якою володіє автор, і обмеженого рівня розуміння. В основному це гідроакустичний перетворювач з нового матеріалу, нова структура та новий механізм гідроакустичного перетворювача, новий тип гідрофону, технологія широкосмугового перетворювача тощо.

 

2 Підводний акустичний перетворювач з нового матеріалу

 

Перетворювач - це пристрій, який реалізує перетворення енергії в гідролокаційній системі. У перетворювачі є спеціальний матеріал, який має здатність перетворювати енергію. Цей матеріал називають функціональним. Функціональні матеріали, що використовуються для виготовлення перетворювачів, в основному включають п’єзоелектричні матеріали (такі як п’єзоелектричні кристали, п’єзоелектрична кераміка, п’єзоелектричні полімери тощо) і магнітострикційні матеріали (такі як нікель, кобальт, сплави нікелю та заліза, ферити, сплави рідкоземельного заліза тощо) тощо), вони використовують п’єзоелектричний ефект і магнітострикційний ефект для реалізації взаємного перетворення енергії електричного поля або енергії магнітного поля та механічної енергії. Прорив технології перетворювачів фундаментально визначається технологічним проривом функціональних матеріалів. В останні роки різні технічні досягнення в галузі функціональних матеріалів також привели до розвитку технології перетворювачів. Лікар виявив, що рідкоземельні матеріали лантаноїдів мають дивовижні магнітострикційні властивості, але вони не використовувалися на практиці, оскільки температура Кюрі нижча за кімнатну. Пізніше було виявлено, що подвійні, потрійні або четвертинні сплави, що складаються з рідкоземельних елементів і заліза, також мають гігантські магнітострикційні властивості при кімнатній температурі. Найбільш репрезентативним рідкісноземельним сплавом є Терфенол-Д (склад Tb0,27Dy0,73Fe1). 95), він став новим типом функціонального матеріалу, який привернув велику увагу з 1980-х років. Релаксаційний сегнетоелектричний монокристал ніобат магнію свинцю-титанат свинцю (PMN-PT) і ніобат цинку свинцю-титанат свинцю (відомий як PZN-PT) є новими типами композиційних перовскітних кристалічних матеріалів, і вони також є класом нових функціональних матеріалів з великими перспективами застосування. До цього нікель зазвичай використовувався як матеріал для перетворювачів. У 1917 році французький вчений Ланжевен створив сонарний перетворювач із кварцовим кристалом, створивши прецедент для застосування п’єзоелектричних матеріалів у сонарах у 1940-х роках. Кераміка BaTiO3 pzt із сильними п’єзоелектричними властивостями була успішно розроблена та широко використовувалася в сонарних системах. П'єзоелектрична кераміка PZT, розроблена в 1950-х роках, має широкий діапазон робочих температур і чудові електромеханічні властивості. Ефективність перетворення компенсує недостатність кераміки Ba TiO3, яка колись стала матеріалом вибору для підводних акустичних перетворювачів. Серед них п'єзоелектричний керамічний матеріал з високою щільністю енергії PZT-8. Просте порівняння наведених вище матеріалів: терфенол-D, PMN-PT, PZN-PT можуть виробляти деформацію приблизно в 5 разів більше, ніж PZT-8, і в 50 разів більше, ніж нікель; п'єзоелектричні постійні PMN-PT і PZN-PT становлять d33. Це в 6-8 разів більше, ніж у матеріалу PZT-8. Використання цих матеріалів pzt для розробки нових підводних акустичних перетворювачів є однією з актуальних актуальних тем.

 

Магнітострикційний матеріал Циліндровий підводний акустичний перетворювач є рідкісним, який є земним гігантським магнітострикційним матеріалом, який використовує магнітострикційний ефект для реалізації взаємного перетворення між енергією магнітного поля та механічною енергією, і в основному використовується для розробки низькочастотних і потужних підводних перетворювачів акустичної емісії. Це свого роду 'складна' структура перетворювача - високотемпературного надпровідного магнітострикційного гідроакустичного перетворювача. З точки зору структури перетворювача, його структура дуже проста. Це звичайний подвійний випромінювач поздовжнього перетворювача. Так званий «комплекс» тут стосується його багатого фізичного відтінку. Магнітострикційна сила рідкоземельних сплавів при низькій температурі більша, ніж при кімнатній. Наприклад, максимальна магнітострикційна деформація Tb0,6Dy0,4 при температурі 77K становить 0,65%, тоді як Терфенол-D при кімнатній температурі. Найбільша магнітострикційна деформація становить 0,25%. Розроблено магнітострикційний гідроакустичний перетворювач з матеріалу Tb0.6Dy0.4 з температурним діапазоном 50-60 К: стрижневий матеріал із рідкоземельного сплаву поміщається в кімнату для кондиціонування повітря, а градирня холодильника циклічно охолоджується, а кімната для кондиціонування повітря забезпечується котушкою з надпровідного матеріалу. Магнітне поле зміщення та магнітне поле збудження збуджують магнітострикційний стрижень, створюючи вібрацію розтягування, яка передається на випромінювальну поверхню поршневого типу через механічну перехідну частину, а випромінювальна поверхня поршневого типу штовхає водне середовище для генерування випромінювання хвилі тиску. Для ізоляції теплопровідності в конструкції передбачена вакуумна камера. Зовнішня стінка вакуумної камери являє собою куполоподібну термостійку кришку, яка витримує тиск 10 атмосфер. Основні технічні параметри наступні: резонансна частота 430 Гц, максимальний рівень джерела звуку 181,4 дБ, ККД близько 25%. Процес виробництва цього типу перетворювача складний. В останні роки люди все ще готові використовувати матеріал терфенол-D, який працює при кімнатній температурі, відмовитися від деяких магнітострикційних навантажень і замінити його новою структурою для досягнення відмінних радіаційних характеристик. Нижче наведено короткий вступ до прогресу досліджень кількох структурних магнітострикційних матеріалів у підводних акустичних перетворювачах. Поздовжній перетворювач має просту конструкцію. Магнітострикційний стрижень поєднується з передньою радіаційною головою та хвостовою масою, щоб утворити подібну одновимірну вібраційну систему. Передня радіальна голова, як правило, виготовляється з легких матеріалів, а хвостова маса, як правило, виготовляється з щільних матеріалів для досягнення радіаційної поверхні. Вихід більшого вібраційного зміщення. Представлено два поздовжні перетворювачі, розроблені за допомогою матеріалів Terfenol-D. Один – загальний поздовжній перетворювач з резонансною частотою 1200 Гц, звуковою потужністю 3 кВт, масою перетворювача 60 кг; інший — рідкоземельний стрижень на обох кінцях. Виконаний у вигляді рупорного двостороннього випромінюючого поздовжнього перетворювача, резонансна частота 400 Гц, звукова потужність 1,5 кВт, вага перетворювача до 100 кг. Кільцеподібний перетворювач: правильний багатокутник, оточений кількома рідкоземельними стрижнями, і серією дугових поверхонь кола, які збуджуються перехідною частиною для створення радіальних коливань для досягнення високої потужності акустичного випромінювання. Розроблено серію рідкоземельних низькочастотних високопотужних тороїдальних перетворювачів, включаючи перетворювачі з резонансною частотою 200 Гц (внутрішній діаметр 0,56 м, зовнішній діаметр 0,94 м, висота 0,37 м, рівень джерела звуку 193 дБ, вага 410 кг) і перетворювач з резонансною частотою 30 Гц (діаметр 2 м, висота). 1,1 м, рівень джерела звуку 195 дБ, вага 5 т). Flextensional перетворювач є різновидом перетворювача, який використовує поздовжню вібрацію п'єзоелектричної керамічної стеки або магнітострикційного стрижня для збудження поверхні випромінювання оболонки (або балки) з ефектом посилення амплітуди для вібрації згину. Перелічено кілька типів перетворювачів згинання, серед яких I, II та III мають однакові характеристики. Поздовжній коливальний стрижень збуджує обертально-симетричну вигнуту оболонку. Оболонка може бути суцільною конструкцією або конструкцією, розрізаною на групу балок. Перселл використовував матеріал Terfenol-D для розробки перетворювача вигину-натягу з увігнутою балкою (тип III) з резонансною частотою 1300 Гц, рівнем джерела звуку 188,7 дБ і смугою пропускання 600 Гц. Завдяки використанню однострижневого відкритого магнітного контуру резонансна частота становить Максимальна електроакустична ефективність змінного струму становить лише 7%, а вага перетворювача становить 2,7 кг. Перетворювачі згинання риб’ячої губи мають спільні характеристики. Перетворювач збуджується поздовжнім вібруючим стрижнем для згинання опуклої або увігнутої еліптичної оболонки для досягнення високої потужності випромінювання. Перетворювач розгинання риб’ячої губи використовує ефект посилення амплітуди. Ефект зважування з площею збільшує потужність звукового випромінювання. Повідомляється, що цей новий тип низькочастотного високопотужного підводного акустичного перетворювача, включаючи резонансну частоту 210 Гц, 450 Гц, 800 Гц і 1200 Гц, результати дослідження цього нового типу перетворювача в даний час використовується в низькочастотних активних масивах гідролокаторів, акустичних системах, таких як цільові джерела звуку та імітатори шуму.

 

Підводний акустичний перетворювач із релаксаційного сегнетоелектричного матеріалу

 

Релаксорні сегнетоелектричні матеріали є різновидом потенційних функціональних матеріалів, які можна розділити на електрострикційні керамічні типи та релаксорні сегнетоелектричні типи монокристалів. Процес виготовлення релаксорних сегнетоелектричних монокристалів набагато складніший, ніж електрострикційних керамічних матеріалів. Дослідники використовували ці матеріали для виготовлення багатьох типів перетворювачів, таких як датчики вигину, поздовжні перетворювачі тощо. Технологія виготовлення перетворювача з цього типу матеріалу складніша, доводиться додавати електричне поле постійного зміщення, застосовувати попереднє напруження та контролювати температуру процесу. Використання електрострикційної кераміки PMN-PT-BT (ніобат магнію свинцю-титанат свинцю-титанат барію) розробило перетворювач розтягування IV типу. Результати досліджень показують, що розроблений перетворювач не максимізував потенціал матеріалу. Ця робота ще деякий час буде однією з гарячих точок, які потрібно досліджувати в області підводних акустичних перетворювачів. Використання релаксорного сегнетоелектричного монокристалічного матеріалу PMN-PT для вивчення 64 каналів ультразвукового зонда 3,5 МГц, який використовується в медичному В-ультразвуку та кольоровому ультразвуковому допплерівському обладнанні для отримання зображень, припускаючи, що релаксорний сегнетоелектричний монокристалічний матеріал у високочастотному сонарі зображення.

 

П'єзоелектрична полімерна плівка сферичний підводний акустичний перетворювач може бути виготовлений у вигляді гнучкої мембрани, і перетворювач може бути розроблений у будь-якій формі під час виготовлення перетворювача, а акустичний опір матеріалу низький, і його легко досягти опору з водою та іншими рідкими середовищами та біологічними тканинами. Зіставлення, яке часто використовується для виготовлення високочастотних стандартних гідрофонів, високочастотних перетворювачів, медичних ультразвукових перетворювачів, конформних масивів і різноманітних композитних масивів перетворювачів. П’єзоелектричний полімер, який зазвичай використовується для виготовлення перетворювачів, це переважно полівініліденфторид (PVDF). В даний час більш приваблива плівка з п’єзоелектричного полімерного матеріалу EMFi (абревіатура від electro mechanicalfil) є різновидом гнучкої поліпропіленової спіненої плівки, її п’єзоелектрична константа приблизно в 10 разів перевищує ПВДФ, яку можна використовувати для виготовлення високочутливих перетворювачів. Структура тонкоплівкового перетворювача EMFi має діаметр приймальної поверхні 35 мм, а чутливість приймального перетворювача перевищує -190 дБ (еталонне значення становить 1 В/мкПа). Цей вид перетворювача також можна використовувати в повітрі для прийому або випромінювання звукових хвиль.

 

Впровадження нової структури підводного акустичного перетворювача та різноманітних механізмів трансдукції. Функціональні матеріали важливі для перетворювача, але вони повинні відтворюватися відповідною структурою. Таким чином, структурна конструкція перетворювача видається особливо важливою для розробки технології перетворювача. важливо. Відповідно до різних сфер застосування та різноманітних технічних вимог або відповідно до характеристик різних механізмів трансдукції та функціональних матеріалів один за одним з’являються різні типи перетворювачів, багато з яких поєднують міждисциплінарні технології, щоб спільно відкривати нові землі. Технічні труднощі, щоб відповідати деяким особливим технічним вимогам. Типовим прикладом є високотемпературний надпровідний магнітострикційний гідроакустичний перетворювач. У наведеному вище змісті цієї статті та типах перетворювачів, які будуть представлені пізніше, багато також є новими структурами та новими механізмами підводних акустичних перетворювачів. Щоб не повторюватися, у цьому розділі наведено лише два інших приклади проектування нових структур.

 

Перетворювач типу тарілки (тарілки) є різновидом перетворювача нової конструкції, подібного до перетворювача згинання. Кожен перетворювач типу тарілки складається з пари п’єзоелектричних керамічних дисків PZT і одного металевого ковпачка, з’єднаних разом. Керамічний п’єзоелектричний диск PZT подає змінну напругу для генерації радіальної вібрації для збудження металевого ковпачка для вібрації згину, а піднятий металевий ковпачок перетворювача створює змінну вібрацію «розширення-усадки». Радіаційні звукові хвилі. Коли та сама змінна хвиля тиску діє на металеву кришку, тиск буде передаватися на п’єзоелектричний керамічний диск PZT, а змінна напруга виводиться на двох полюсах керамічного диска, який використовується як приймальний перетворювач. Резонансна частота перетворювача тарілки у воді становить 16,1 кГц, а напруга випромінювання становить 130 дБ (еталонне значення становить 1 мкПа/В на відстані 1 м). На малюнку 5 також показано фото 9-елементної матриці, що складається з цього типу перетворювача. . У низькочастотному п’єзоелектричному перетворювачі зі спіральною пружиною п’єзоелектрична кераміка обробляється у форму спіральної пружини (як показано на малюнку 6),П'єзоелектричний керамічний перетворювач поляризується в тангенціальному напрямку, а потім будується електродна пара збудження. Нейтральна ділянка без електродів посередині відокремлена, щоб утворити пару електродів зовнішнього кільця 1 і пару електродів внутрішнього кільця 2 (див. збільшену схематичну діаграму невеликого фрагмента на рис. 6). Таким чином, напруга збудження V прикладається до пари електродів, частина п’єзоелектричної кераміки, керована парою електродів із зовнішнім кільцем і парою електродів із внутрішнім кільцем, вироблятиме протилежні вібрації (розтягнення або звуження), а рух пружинної системи при розширенні та стисненні змушуватиме робочу поверхню поршня вібрувати звукову енергію. Завдяки низькій жорсткості цієї конструкції вона має низьку резонансну частоту і може бути використана як низькочастотний передавальний перетворювач. При використанні в якості приймача він також має високу чутливість в діапазонах низьких частот. Виходячи з п’єзоелектричного рівняння, було отримано електромеханічне співвідношення перетворення цього типу перетворювача, а також проведено певні дослідницькі роботи.

 

Ознайомлення з різними механізмами перетворення енергії в підводних акустичних перетворювачах. З точки зору перетворення енергії, перетворювачі можна в основному розділити на п’єзоелектричні перетворювачі, які використовують п’єзоелектричний ефект для досягнення перетворення енергії, і магнітні, які використовують магнітострикційний ефект для досягнення перетворення енергії. Висувні перетворювачі, датчики, залучені до вищезазначеного вмісту, належать до цих двох типів.