Огляд розвитку глибоководних низькочастотних передавальних підводних акустичних перетворювачів

З розвитком досліджень океану існує широкий діапазон попиту на перетворювачі, які можуть працювати в глибокій воді. Глибоководні перетворювачі в основному встановлюються на різних типах автономних підводних платформ,

Платформа може вмістити обмежений об’єм і вагу, а також потужність джерела живлення, низькочастотний перетворювач потрібен для відповідності характеристикам малих розмірів, малої ваги, високої ефективності та високого опору гідростатичному тиску.

Ця стаття представляє прогрес досліджень низькочастотних глибоководних перетворювачів у країні та за кордоном, включаючи загальні типи перетворювачів, їхні характеристики та проблеми розробки, для довідки дослідників у

суміжні поля.196 дБ і вага 2800 кг; Звук дуже низької частоти 65 Гц Максимальний рівень джерела становить 203 дБ, а вага становить 1900 кг. Його основним недоліком є ​​те, що він обмежений структурними характеристиками вигнутого диска, а робочу глибину важко досягти 1000 метрів.

 

2.2 Перетворювач Януса-Гельмгольца

До типу датчиків Гельмгольца можна віднести і датчик Януса-Гельмгольца. Його типова форма полягає в тому, що подвійний поздовжній вібратор збуджує жорсткі циліндричні оболонки на обох кінцях, використовуючи частоту рідинної порожнини та радіальну частоту коливань для формування подвійного резонансного піку. Основною частиною є датчик поздовжньої вібрації, який може випромінювати з обох сторін (так званий датчик Януса). Пара циліндричних порожнин розташована на зовнішній стороні випромінювальної головки перетворювача Януса, а простір, оточений порожниною та перетворювачем Януса. Утворюється резонансна порожнина Гельмгольца, яка працює під впливом поздовжньої вібрації перетворювача Януса. Його структура може працювати на більшій глибині без використання пристроїв компенсації тиску. Використовуючи зв’язок резонансного режиму рідинної порожнини та режиму поздовжньої вібрації, він має низькочастотні, широкосмугові, високоенергетичні характеристики, і в той же час має відносно невеликий розмір, який підходить для використання як джерело глибоководного низькочастотного звуку. IXBLUE розробив різноманітні датчики Януса-Гельмгольца на повну глибину JH250-6000, JH650-6000 тощо. Робочий діапазон частот датчика JH250-6000 становить 200 Гц-1050 Гц, загальний розмір Φ 72*112 см, вага 450 кг, а рівень джерела звуку перевищує 196 дБ; робочий діапазон частот перетворювача JH650-6000 становить 580 Гц-2020 Гц, зовнішній розмір Φ 45*61 см, вага 90 кг. Рівень джерела звуку перевищує 196 дБ; його недоліки - великі коливання смуги.

 

Багато вітчизняних підрозділів також проводили відповідні дослідження перетворювачів Януса-Гельмгольца. Цей тип перетворювача має відносно невеликий розмір і вагу для отримання низькочастотного робочого ефекту, і теоретично продуктивність перетворювача не змінюється з глибиною, і має гарну перспективу застосування. Основна проблема полягає в тому, що режим резонансу рідинної порожнини має високе значення Q, що призводить до різких кривих провідності та відгуку поблизу піку резонансу рідинної порожнини, що не сприяє конструкції узгоджувальної мережі та має певний вплив на широкосмугову роботу. Інститут прикладної акустики Ханчжоу провів дослідження проблем перетворювачів JH і ефективно удосконалив проблеми сполучення двох резонансних мод традиційних перетворювачів Януса-Гельмгольца, а також покращив смугу пропускання та робочу смугу частот перетворювача. Рівномірність характеристики напруги передачі. Виготовлений прототип перетворювача має робочий діапазон частот 400~700 Гц, пік рідинної порожнини 480 Гц, смугу відгуку напруги передачі (6 дБ) більше 200 Гц і максимальний рівень джерела звуку 205 дБ. Відносно високочастотний робочий діапазон частот прототипу становить 700~1400 Гц, пік рідинної порожнини становить 760 Гц, смуга пропускання напруги передачі (6 дБ) перевищує 500 Гц, а максимальний рівень джерела звуку становить 200 дБ.

 

2.3 Перетворювач Janus-Hammer Bell

 

У 2013 році глибоководний перетворювач, який значно відрізняється від традиційного датчика JH. Він, зокрема, включає двонаправлений випромінюючий поздовжній вібраційний перетворювач і жорстку циліндричну оболонку, яка встановлена ​​на жорсткому циліндрі. На середню масу. Механізм полягає в поєднанні двосторонньої поздовжньої моди коливань і тороїдальної моди (два алюмінієвих кільця). Поздовжня вібрація змушує рідину в порожнині вібрувати, змушуючи тверду циліндричну оболонку резонувати. Поздовжня мода поєднується з радіальною модою оболонки. Для досягнення широкосмугового випромінювання внутрішньосмуговий рівень в основному ненаправлений. Використовуйте цей перетворювач для проведення експерименту з поширенням звуку на великі відстані. Перетворювач JHB розміщено на осі каналу (приблизно 1000 м), а вертикальна решітка 20 юанів використовується для успішного прийому сигналу на 1000 км.

2.4 Датчик переливного кільця

 

Кільцевий перетворювач переливу є поширеним типом глибоководних перетворювачів у діапазонах середніх і низьких частот. Внутрішня і зовнішня поверхні керамічного кільця ущільнені водонепроникними матеріалами (поліуретан або вулканізована гума). Гідростатичний тиск на конструкцію самоврівноважується, і теоретично робоча глибина не обмежується глибиною води. У той же час розумна конструкція розміру рідинної порожнини тороїдального перетворювача може збудити пік резонансу низькочастотної рідинної порожнини та поєднати його з радіальним резонансом самого тороїда для досягнення багаторежимних широкосмугових робочих ефектів. Зазвичай працюють у діапазоні частот 1 кГц ~ 10 кГц. Для діапазонів частот нижче 1 кГц необхідно виготовляти мозаїчні кільця великого розміру, що вимагає високої технології складання. Перетворювач переливного кільця, зареєстрований за кордоном, має робочу смугу частот 250 Гц-1 кГц і джерело звуку. Рівень 197 дБ, діаметр 1 м, висота 1,6 м, вага близько 800 кг.

lan 'прихований стандарт глибоководної акустичної томографії', і досяг попередніх результатів, але ще є місце для подальшого вдосконалення. Діапазон робочих частот пристрою становить 400 Гц ~ 550 Гц, максимальна характеристика напруги передачі 132 дБ, а максимальний рівень джерела звуку 182 дБ. На основі двох наборів глибоководних томографічних підводних цілей цього перетворювача, низькочастотне (500 Гц), глибоководне (глибина осі каналу 1000 м), довготривале (3 місяці роботи) випромінювання акустичного сигналу та прийом акустичного сигналу на вертикальному профілі на глибині 300 м ~ 1500 м. У патенті на корисну модель для застосованого датчика напруги гнучкості переливу твердий пінопласт використовується як стійкий до тиску матеріал, резонансна частота становить 2,4 кГц, а характеристика напруги передачі становить 126 дБ. Харбінський інженерний університет запропонував у патенті 'Фазоінвертований глибоководний гнучкий підводний акустичний перетворювач'. Встановлюючи напівхвильові перевернуті трубки на обох кінцях датчика згинання типу IV, випромінюється внутрішнє випромінювання датчика згинання з переповненням. Фаза звукового тиску інвертується на 180 градусів, що регулює фазу звукового тиску всередині гнучкої випромінюючої оболонки, так що звуковий тиск, що випромінюється з внутрішньої сторони на соплі перевернутої трубки, знаходиться в тій самій фазі, що й звуковий тиск, що випромінюється зовні вібраційної оболонки, долаючи традиційну проблему низької ефективності випромінювання гнучкого перетворювача переливного типу. Завдяки такій конструкції перетворювач має три синфазні випромінювальні поверхні, а саме еліптичну площину випромінюючої поверхні поршня на обох кінцях і випромінювальну поверхню оболонки датчика згинання розтягування, утворюючи трикомпонентну синфазну матричну моду, яка забезпечує трансдукцію згинання розтягування. Пристрій формує вісімку спрямованості, завдяки чому має характеристики спрямованого випромінювання.

2.6 Газокомпенсований низькочастотний перетворювач

 

Американська компанія Alliant Techsystems розробила наднизькочастотний високопотужний підводний акустичний перетворювач HX-554 для акустичної термометрії клімату океану (ATOC) 1993-1994 років. Перетворювач складається з 10 пачок п’єзоелектричних кристалів довжиною 1085 мм, шириною 119 мм і товщиною 53 мм (кожен стек кристалів складається з 92 п’єзоелектричних керамічних квадратних пластин, з’єднаних між собою, а в середині стека кристалів додається ділянка пасивного матеріалу) у відро. Фігурна конструкція з надувним мішком всередині для балансування гідростатичного тиску, а робоча глибина може досягати 1000 метрів. Перетворювач використовує п’єзоелектричну вібрацію згину стека для випромінювання горизонтальних ненаправлених звукових хвиль. Резонансна частота 75 Гц, робоча смуга пропускання 57-92 Гц, максимальний рівень джерела звуку 197 дБ (звукова потужність 420 Вт, CW імпульс); загальний розмір перетворювача 2,06 довжини. м, 0,94 м у діаметрі, 2300 кг у повітрі, 770 кг у воді, плюс опорна конструкція та система надування, загальна вага становить 5500 кг.

 

2.7 Гідродинамічне джерело звуку

Джерело звуку з рідинним приводом використовує гідравлічний привід для генерування вібрації та має характеристики ультранизькочастотного випромінювання, широкої робочої частоти, довгого робочого ходу та великої тяги. Гідравлічне джерело звуку HLF-1, розроблене Hydroacoustics, має робочий діапазон частот 20 Гц-2 кГц, рівень джерела звуку може досягати 196 дБ при резонансі 260 Гц, а його максимальний розмір становить 1 м. Розроблене гідравлічне джерело звуку HLF-4 має єдине джерело звуку з рівнем джерела звуку 206 дБ при резонансній частоті 57 Гц і смузі пропускання 14 Гц. Для формування матриці використовується 5 джерел звуку, а рівень джерела звуку досяг 221 дБ. Він відомий у 1991 р. Цей перетворювач використовувався під час випробувань вимірювання температури океану на острові Херд, а акустичний сигнал має відстань поширення 18 000 км.

 

3 Висновок

Різні типи глибоководних низькочастотних перетворювачів мають великі відмінності в розмірах, вазі та глибинних акустичних характеристиках. Задовольнити потреби різних типів гідроакустичної апаратури за допомогою одного перетворювача неможливо. Наприклад, датчик переливного кільця має хороші характеристики. Стабільність на глибині води, спрямованість повного простору, кращий широкосмуговий ефект, але відповідний розмір і вага відносно великі; Перетворювач JH забезпечує низькочастотну та широкосмугову роботу у відносно невеликому обсязі, але його спрямованість змінюється більше з частотою. Великі та часто глибокі «долини» в смузі частот, що певним чином впливає на фактичний ефект використання. Відповідно до фактичних потреб проекту слід всебічно розглянути вимоги щодо придатності, рівня джерела звуку, спрямованості, широкосмугової роботи тощо, а також слід вибрати відповідний тип глибоководного низькочастотного перетворювача.