Нові розробки п'єзокераміки, що використовуються в підводних гідролокаторах

Перетворювач є важливою частиною сонара. З точки зору історії гідроакустики, кожен крок розвитку підводної акустики невіддільний від розвитку технології перетворювачів. Оскільки гідроакустичні перетворювачі відіграють ключову роль у підводній акустичній інженерії, багато розвинених країн інвестували величезні кошти в дослідження. З історії розвитку підводної акустичної апаратури, з початку Першої світової війни, перетворювач типу Ланжевена, що складається з кристали п'єзокераміки та металеві маси. використовували Після багатьох замін продуктів були використані перетворювачі. Продуктивність була значно покращена. Протягом останніх двох-трьох десятиліть через військовий попит, швидкий розвиток науки і техніки, безперервний розвиток і застосування нових матеріалів для перетворювачів, а також застосування аналізу кінцевих п’єзоелементів у проектуванні перетворювачів, дослідження перетворювачів. На основі класичної теорії та аналітичних методів з'явилося багато нових понять і методів. Підводний акустичний перетворювач стикається з новим етапом заміни продукту. Гігантський магнітострикційний розбавлений перетворювач, високоефективний електрострикційний п’єзокерамічний перетворювач, векторний гідрофон, п’єзоелектричний композитний перетворювач, низькочастотний гідрофон великої площі PVDF, волоконно-оптичний гідрофон тощо. Він представляє останні розробки в дослідженні перетворювачів. З цього погляду ця стаття з нетерпінням чекає останніх розробок підводних сонарних перетворювачів.

гігантський магнітострикційний перетворювач

У 1970-х роках А.Е. Кларк виявив, що рідкоземельні сплави мають супермагнітострикційні властивості. Ці максимальні деформації, викликані магнітострикційними ефектами, у 6-20 разів більші, ніж у П'єзоелектричний трубчастий перетворювач, який використовується в підводних акустичних перетворювачах, і щільність енергії приблизно в 10-20 разів, а швидкість звуку становить лише 2/3-3/4 від п'єзоелектричної кераміки, і наведено порівняння продуктивності між рідкоземельним матеріалом Terfenol2D і звичайним п'єзоелектричним матеріалом PZT-8 і нікелем. Таким чином, за однакових умов об’єму гідроакустичний перетворювач Terfenol2D має резонансну частоту, яка на 2/3–3/4 нижча за резонансну частоту п’єзоелектричного керамічного гідроакустичного перетворювача. Оскільки перетворювач, виготовлений із рідкоземельного гігантського магнітострикційного матеріалу Terfenol2D, має характеристики великої потужності передачі, малого об’єму, легкої ваги та високотемпературного середовища, він отриманий у розробці низькочастотного та дуже низькочастотного високопотужного підводного акустичного перетворювача. Адекватна увага та застосування. У 1980-х роках розвинені країни розробили різні рідкоземельні перетворювачі та застосували їх у військовій сфері. Швеція успішно розробила вигнуті рідкоземельні перетворювачі із звуковою потужністю 151 кВт для мінування. Китай почав дослідження в 1990-х роках, але досяг швидкого прогресу. Вони успішно розробили рідкоземельні перетворювачі вигину, рідкоземельні інкрустовані перетворювачі та поздовжні композитні стрижневі рідкоземельні перетворювачі тощо. Основними особливостями матеріалів Terfenol2D є (1) крихкі матеріали та важка механічна обробка. (2) Оскільки рідкоземельні матеріали є не лише магнітопровідним матеріалом, але й провідним матеріалом, коли зовнішнє магнітне поле змінюється, рідкоземельний перетворювач. Втрати на вихрові струми будуть генеруватися всередині, і втрати будуть великими на високих частотах. У порівнянні з п’єзоелектричними керамічними перетворювачами гігантські магнітострикційні перетворювачі потребують вирішення таких проблем, як магнітне зміщення, попереднє напруження, втрати на вихрові струми та компенсація глибокої води. В даний час є деякі рішення цих недоліків. З метою вирішення проблеми крихкого матеріалу та великих втрат на вихрові струми досліджується гігантський магнітострикційний матеріал GMPC, порошкоподібний терфенол 2D, змішані зв’язувальні матеріали, пресовані та сформовані методом порошкової металургії. Для конструкції гігантських магнітострикційних перетворювачів вигідним рішенням є повне використання його великої деформації та високої щільності енергії як джерела збудження перетворювача згину. Його можна використовувати для різноманітних перетворень низької частоти, малого обсягу та високої потужності. Правильний вибір магнітного зміщення, попереднього напруження та методів застосування рідкоземельних гігантських магнітострикційних матеріалів мають великий вплив на продуктивність перетворювача. Як правило, магнітне зміщення вибирається на рівні 1/3 значення магнітострикційного насичення, а попереднє напруження вибирається від 7 МПа до 10 МПа для отримання великої вихідної потужності.

Волоконно-оптичний гідрофон

Технологія волоконно-оптичних гідрофонів почалася в Військово-морській лабораторії США наприкінці 1970-х років. Волоконно-оптичний гідрофон має такі переваги, як висока чутливість, сильна здатність проти електромагнітних перешкод, великий динамічний діапазон, малий розмір і невелика вага П'єзоелектрична півсфера Pzt4 . Тому технологія була високо оцінена, як тільки вона народилася, і вважалася однією з ключових технологій національної оборони. Після більш ніж 20 років розвитку технологія волоконно-оптичних гідрофонів досягла значного прогресу в розвинених країнах, і були представлені різні волоконно-оптичні гідрофони. Вони розробили повністю волоконну гідрофонну систему моніторингу звуку підводного човна, масив буксируваного канату, конформний масив підводного човна тощо. Зокрема, успішна розробка твердотільних лазерів відкрила широкий світ застосувань для оптичних волокон. Технологія волоконно-оптичних гідрофонів також має хороший початок. Продуктивність прототипу установки була близькою до міжнародного рівня або досягла такого рівня, а також були проведені дослідження технології волоконно-оптичної решітки гідрофонів. Проникнення сонарних досліджень у лазерну техніку, безсумнівно, відкриє нову сторінку в сонарних дослідженнях. Усі види волоконно-оптичних гідрофонів розроблені відповідно до ефекту звукової хвилі для здійснення фазової модуляції або модуляції інтенсивності волоконного світла. Волокно поділяється на багатомодове волокно та одномодове волокно. Волоконно-оптичний гідрофон в основному виготовлений з одномодового волокна. Тип інтерферометра та тип модуляції інтенсивності світла. Під дією звукового тиску в серцевині оптичного волокна виникає напруга, що викликає зміни показника заломлення та довжини. Ці дві зміни викликають фазову модуляцію лазера, що поширюється в оптичному волокні. Волоконно-оптичний гідрофон інтерферометричного типу використовує волокно, на яке впливає звукове поле, як чутливе волокно, а інше волокно відокремлюється від звукового поля. В якості еталонного волокна використовується волокно з фіксованою різницею фаз, яке розміщується на плечах інтерферометра, а також фотоелектричний перетворювач. Після синтезу на поверхні отриманого фотопомножувача формується інтерференція, а також детектується акустична інформація. Оскільки довжина хвилі світла дуже мала, незначна деформація сигналу, спричинена звуковим тиском, не є малою зміною щодо довжини хвилі світла, і, отже, спричиняє значну зміну інтенсивності вихідного світла, тому чутливість волоконно-інтерференційного гідрофону особливо висока. Технічні характеристики, досягнуті волоконно-оптичним гідрофоном волоконного інтерферометра, такі: чутливість до напруги прийому: - 140 дБ (0 дБ = 1 В/мкПа) Чутливість до фази: 2,56 × 10 - 8 рад / мкПа. Частотна характеристика: 16 Гц ~ 10 кГц (хвилеподібність ≤ 3 дБ) спрямованість: всеспрямований (хвилястість ≤ 2,5 дБ) Серед усіх гідрофонів типу інтенсивності гідрофон ґратчастого типу є новим, перевіреним та ефективним підводним акустичним детектором. 

Вихід виражається як пряма модуляція інтенсивності падаючого звукового поля. Його основний принцип роботи полягає у створенні відносного зміщення двох решіток між постійним джерелом світла та приймачем світла під дією звукового поля, а інтенсивність прийому є функцією відносного зміщення двох решіток, так що звукове поле може бути трансформовано. Для модуляції інтенсивності. Сам ґратчастий гідрофон складається по суті з двох аксіально вирівняних оптичних хвилеводів (або волокон) з невеликим зазором, а отвори в зазорі, які контролюють пропускну здатність, забезпечують необхідну модуляцію інтенсивності. Гідрофон забезпечує всі переваги пристрою прямої модуляції інтенсивності і коштує недорого. Метод решітки може досягти відносно високої чутливості, а пристрій простий у виготовленні, без передової оптичної технології, має динамічний діапазон до 160 дБ і здатний виявляти зсув, викликаний звуком менше 0,01 А. Крім того, завдяки гнучкому вибору щільності решітки, зсуву, оптичної потужності та структури гідрофону є більша гнучкість у конструкції чутливості, динаміки діапазон, розмір і діапазон робочих частот. Для волоконно-оптичних гідрофонів дробовий шум, викликаний коливаннями струму на фотодіоді, є основним джерелом шуму, і його часто називають теоретичною межею шуму. Крім того, вирівнювання променя, ізоляція опорного променя та віброізоляція джерела безпосередньо впливають на продуктивність. Найбільшим недоліком волоконно-оптичних гідрофонів є великий температурний вплив.