Дослідження та можливості розробки технології підводних акустичних перетворювачів

Акустичні хвилі вважаються єдиним носієм інформації, здатним подолати великі відстані в океані. Морські дослідження, розробка ресурсів і морські військові дії невіддільні від підводних акустичних технологій. Розвиток гідроакустичної технології вимагає різних типів гідроакустичних перетворювачів для забезпечення підтримки, а місія гідроакустичних перетворювачів полягає в передачі та прийомі звукових хвиль під водою, тому гідроакустичні перетворювачі відомі як «очі та вуха гідроакустичного обладнання». Розробка гідроакустичних перетворювачів в основному включає застосування нових матеріалів, прийняття нових процесів і проектування нових структур для досягнення покращення та Підвищення всеосяжних технічних характеристик перетворювача. Нагальною є розробка гідроакустичних перетворювачів за останні 20 років на аналізі та підсумку, у поєднанні зі стратегією розвитку морських технологій моєї країни та ситуацією, коротко обговорити проблеми та можливості розвитку, з якими стикається сучасна технологія підводних акустичних перетворювачів.

 

The підводний акустичний перетворювач - тип датчика, який реалізує перетворення звуку та інших форм енергії або інформації у водному середовищі; підводний акустичний перетворювач є переднім обладнанням гідроакустичної системи, а також взаємодією між гідролокаційною системою та водним середовищем для обміну інформацією. Сфера досліджень і розробок технології підводних акустичних перетворювачів включає в себе інтеграцію кількох дисциплін, і тісно пов’язані дисципліни в основному включають: фізику, матеріалознавство, математику, механіку, електроніку, хімію, механіку тощо, тому розробка підводних акустичних перетворювачів тісно пов’язана з досягненнями інших базових дисциплін і в той же час обмежена розвитком різноманітних пов’язаних Судячи з десятиліть історії розвитку гідроакустичних перетворювачів у моїй країні, найбільша мотивація розвитку походить від вимог до застосування в галузі гідроакустичної технології, але до кінця 20-го століття розвитку технології гідроакустичних перетворювачів у моїй країні бракувало загального та систематичного характеру.

 

1.1 Розвиток досліджень низькочастотних перетворювачів

У відповідь на нагальні потреби наддалекої підводної передачі інформації та розвиток ультраневидимого виявлення підводних човнів, низькочастотні передавальні перетворювачі стали однією з найбільш стурбованих гарячих точок у галузі підводних акустичних перетворювачів з 21 століття. Робоча смуга частот зарубіжних гідролокаторів ультрадальнього виявлення та зв'язку була зменшена приблизно до 100 Гц. Низькочастотні перетворювачі пов’язані з багатьма теоретичними та технічними проблемами, які на даний момент не вирішені належним чином, і цей аспект все ще буде гарячою точкою досліджень і фокусом уваги в майбутньому розвитку. У цьому розділі вибрано дослідницьку роботу низькочастотних перетворювачів згинальної вібрації та перетворювачів напруги згину, а також узагальнено нові технологічні досягнення.

 

1.1.1 Низькочастотний перетворювач згинальних коливань

Перша технічна проблема, з якою стикається розробка низькочастотних підводних перетворювачів, це геометричні розміри. Як правило, робоча частота резонансних перетворювачів обернено пропорційна геометричним розмірам. Тобто, чим нижча частота перетворювача, тим більшим буде геометричний розмір. Вібрація може ефективно зменшити геометричні розміри низькочастотних перетворювачів. Нові конструкції низькочастотних перетворювачів згинальної вібрації в Китаї за останні 20 років в основному включають перетворювачі з вигнутим променем і перетворювачі з вигнутим диском.

 

(1) Перетворювач згинального променя. Сконструюйте перетворювач широкосмугового передавача циліндричного консольного променя (рис. 1а). Конструкція конструкції поєднує в собі характеристики низької модальної частоти вібрації при згині та метод мультимодального зв’язку вібрації для розширення частотного діапазону. Чай Йонг та ін. Пропонується кільцевий перетворювач з’єднання труба-промінь (рис. 1b). Завдяки додаванню вигнутого променя до інкрустованого кільцеподібного перетворювача, щоб утворити структуру з’єднання труба-промінь, ефективний робочий режим збільшується. Використовуйте багаторежимний зв'язок для досягнення низькочастотних і широкосмугових робочих характеристик. Конструкція переливу прийнята, і її здатність витримувати гідростатичний тиск підтверджено фактичним застосуванням стандарту 3000-метрового глибоководного занурення. Сю та ін. запропоновано дві схеми оформлення для циліндричних низькочастотних перетворювачів (рис. 1c і d), провели серію моделювань і дали криві відповіді на випромінювання, керовані новими магнітострикційними матеріалами Terfenol-D і Galfenol. Це демонструє потенціал структури перетворювача для застосування наднизьких частот.

Малюнок 1 Нова конструкція низькочастотного перетворювача для вигнутого променя (a), 0 — фіксований промінь, а 1-5 — циліндричні промені різної товщини

(3) Вигнутий дисковий датчик. Датчик із вигнутим диском включає три стеки, подвійні стеки тощо. На малюнку 2а показано компактний вигнутий дисковий перетворювач, що складається з пари подвійних шарів. Зарубіжні дослідницькі роботи відносно зрілі. Проведено поглиблене дослідження цієї базової структури вигнутого дискового перетворювача. Починаючи з цієї базової структури, проектуючи рідинну камеру та покращуючи режим водіння, було створено деякі нові конструкції]. На малюнку 2b зображено вигнутий дисковий перетворювач, що приводиться в рух мозаїчним кільцем. Конструкція, зображена на малюнку 2c, використовує вигнуті дискові перетворювачі різних розмірів для формування матриці та використовує різні методи керування для досягнення широкосмугової роботи. На малюнку 2d зображено вигнутий дисковий перетворювач із структурою порожнини переповнення. Розмір рідинної порожнини належним чином регулюється в конструкції, щоб відповідати вимогам щодо акустичних характеристик. Це вигнутий дисковий перетворювач, що приводиться в дію галфенолом, який використовує структуру, подібну до поздовжнього перетворювача, для збудження згинальних коливань переднього випромінювання 

Рисунок 2 Нова конструкція низькочастотного перетворювача з вигнутим диском

1.1.2 Датчик розтягування

Концепція датчика розтягування згину почалася з патенту Хейса в 1936 році. Основний робочий режим полягає в тому, що один або більше телескопічних вібраторів приводять в дію кожух згинальної вібрації для генерування низькочастотного звукового випромінювання. Дослідження та застосування датчиків гнучкості в моїй країні активно проводяться з кінця 20 століття. Дослідники розробили перетворювачі згинання і розтягування з різними структурами. За будовою і способом збудження перетворювачі згину розтягу поділяються на три категорії. Цей метод класифікації використовується тут для окремого представлення.

 

(2) Перетворювач згину-розтягу циліндричної конструкції. Цей тип перетворювача приводиться в дію поздовжнім телескопічним вібратором для трансляції вібраційної оболонки при згині. Вібраційна оболонка перетворювача є поступальною структурою, тобто циліндричною оболонкою різної форми, яка приводиться в рух одним або декількома поздовжніми телескопічними вібраторами. Включно з датчиком вигину IV типу та його деформаційною структурою, датчиком вигину типу VII, чотирикутним датчиком розтягування тощо. На малюнку 3a зображено типову структуру датчика розтягування IV типу. Було розроблено перетворювач згинання розтягування IV типу, що керується релаксорним сегнетоелектричним монокристалічним матеріалом PMNT. Було розроблено перетворювач розтягування гнучкості IV типу, що приводиться в дію рідкоземельним гігантським магнітострикційним матеріалом Terfenol-D. На малюнку 3b зображено нову конструкцію перетворювача вигину VII типу, який приводиться в дію рідкоземельним гігантським магнітострикційним матеріалом Terfenol-D. Метод збудження розроблений у найширшій частині поперечного розміру, а пара паралельних вібраторів розроблена для детального вивчення цього типу перетворювача. Серія досліджень включає аналіз конструкції попереднього напруження, теоретичне моделювання, модальний аналіз, експериментальні дослідження тощо. На малюнку 3c зображено вдосконалену нову конструкцію перетворювача згинання типу IV, яка подібна до вдосконалення конструкції перетворювача згинання типу I до датчика розтягування типу II, використовуючи еліптичну конструкцію оболонки з подовженою довгою віссю, перетворювач, який приводиться в дію релаксором сегнетоелектричний монокристалічний матеріал PMNT, який має кращі широкосмугові робочі характеристики, ніж загальний перетворювач розтягу IV типу. На малюнку 3d зображено найпершу нову конструкцію для вдосконалення датчика згинання IV типу в Китаї — перетворювача згинання у вигляді риб’ячої губи, який використовує еліптичну оболонку змінної висоти та використовує привід із рідкоземельного супермагнітострикційного матеріалу Terfenol-D. Ця вібраційна оболонка спеціальної форми має ефект плеча важеля та ефект подвійного посилення з високою вагою. На даний момент перетворювач розтягування риб’ячої губи Terfenol-D був серійний і розроблений у структурі з подвійною оболонкою для подальшого збільшення потужності передачі. Максимальна звукова потужність одного перетворювача може досягати 10 000 Вт, що робить його побутовим низькочастотним високопотужним передавальним перетворювачем одним із основних типів. На малюнку 3e зображено ортогональний чотирикутний перетворювач згинання і розтягування, який має вдосконалену компактну конструкцію, яка може додати більше функціональних матеріалів в обмеженому об’ємі та покращити рівень випромінювання джерела звуку. На малюнку 3f зображено ще одну вдосконалену нову конструкцію перетворювача згинання типу IV, подібну до вдосконаленої конструкції перетворювача згинання типу I до датчика згинання типу III, який використовує дві еліптичні оболонки, розташовані послідовно вздовж напрямку довгої осі. Загалом для збудження використовується довший п’єзоелектричний пакет, так що резонансна частота поздовжнього вібратора зменшується та наближається до основної частотний режим гнучкої оболонки, який сприяє модальному зв’язку для досягнення широкосмугових робочих характеристик. На малюнку 3g зображено покращену нову конструкцію вібратора збудження датчика розтягування згину IV типу. Це датчик розтягування IV типу, що приводиться в дію складним вібратором. Ця структура в поєднанні з матеріалом корпусу низької жорсткості може ефективно зменшити резонансну частоту.

Малюнок 3 Датчик згину-натягу зі стовпчастою структурою

Він також відомий як датчик згинання типу гарбуза. Вивчається датчик згинання і розтягування типу гарбуза, який керується PZT і PZT+Terfenol-D. Проведено імітаційний аналіз емісійних характеристичних параметрів спільного збудження. На малюнку 4c зображено датчик напруги з увігнутою трубкою, збуджений комбінацією магнітострикції та п’єзоелектрики. У конструкції композиційного поздовжнього вібратора використовуються два елементи збудження Терфенол-Д і ПЦТ. На малюнку 4d показано увігнутий циліндровий перетворювач розтягування. Він збуджується мультип’єзоелектричним пакетом. За передумови, що оболонка залишається незмінною, а загальний об’єм п’єзоелектричного керамічного матеріалу незмінний, аналіз різних кількостей (1-4) приводів п’єзоелектричної стеки Для впливу на продуктивність перетворювача було спроектовано та розроблено перетворювач напруги згину з увігнутою трубкою, збуджений потрійним п’єзоелектричним пакетом.

Малюнок 4 Датчик вигину-натягу довгого обертового тіла

Перетворювач згину-натягу плоского тіла обертового типу. Цей тип перетворювача приводиться в дію вібратором, що радіально розширюється, для приводу обертально-симетричної вібраційної оболонки, що згинається. Вібраційна оболонка перетворювача є обертально-симетричною структурою, як правило, парою опуклих або увігнутих сферичних ковпачків (або сферичних ковпачків) або складається з диска тощо, що приводиться в рух кільцевим або дисковим вібратором, що радіально розширюється, включаючи V-подібний перетворювач напруги згинання, VI-подібний перетворювач напруги згинання, дископодібний перетворювач напруги згинання трансдьюсер і т.д., представлені тут Датчик вигину малого розміру V-типу тарілки та датчик вигину дискового типу. На малюнку 5а зображено малогабаритний V-подібний датчик згину і розтягування. Пара металевих торцевих заглушок приводиться в рух п’єзоелектричним керамічним диском, який вібрує радіально, створюючи вібрацію при згині; На малюнку 5b зображено дископодібний перетворювач розтягування згинання, у конструкції якого використовується PZT-. 4 Радіально поляризоване п'єзоелектричне керамічне кільце приводить у рух вигнутий диск. Диск поділений на 16 рівних секторів вздовж радіальної щілини, щоб зменшити вплив бічної вібрації. Перетворювачі згинання цих двох структурних форм мають характеристики низької резонансної частоти, малих геометричних розмірів і високої електроакустичної ефективності.

Малюнок 5 Датчик згину та напруги плоского обертового тіла

1.2 Розвиток досліджень високочастотних широкосмугових перетворювачів

Крім дальності виявлення як важливого показника підводно-акустичної апаратури, ще одним напрямком розвитку є отримання максимальної кількості цільової інформації як основного призначення. Наприклад, гідролокатор із зображенням високої роздільної здатності, підводний акустичний зв’язок із високою швидкістю передачі даних тощо. Це вимагає роботи в режимі високої частоти, а діапазон робочих частот є максимально широким. Тому високочастотний широкосмуговий підводний акустичний перетворювач став ключовим компонентом системи, подібно до оптики. Лінза системи візуалізації однакова.

 

Малюнок 6а є а високочастотний широкосмуговий перетворювач з п'єзоелектричним керамічним стовпчиком і узгоджувальним шаром. Досліджено співвідношення між п’єзоелектричними керамічними відстанями та розміром кераміки та вплив наповнювальних матеріалів на пропускну здатність. Високочастотний широкосмуговий перетворювач з подвійним узгоджувальним шаром, розроблений на малюнку 6b, використовує п’єзоелектричні керамічні колони для формування масиву, а потім додає структуру подвійного узгоджуючого шару з металевого шару та полімерного композитного матеріалу для досягнення характеристик високочастотної широкосмугової акустичної емісії. На малюнку 6c показано розроблений п’єзоелектричний композитний високочастотний широкосмуговий перетворювач 1-1-3, який складається з одновимірних з’єднаних п’єзоелектричних стовпів і одновимірних з’єднаних металевих стовпів, розташованих паралельно в тривимірній з’єднаній полімерній матриці. Створено трифазний п’єзоелектричний композитний матеріал і розроблено високочастотний широкосмуговий перетворювач. На малюнку 6d показано розроблений п’єзоелектричний композитний високочастотний широкосмуговий перетворювач 1-3, який використовує ефект зв’язку моди вібрації товщини та моди поперечної вібрації першого порядку для реалізації широкосмугових робочих характеристик. На малюнку 6e показано розроблений п’єзоелектричний композитний кільцевий високочастотний широкосмуговий перетворювач. П'єзоелектричне композитне кільце отримують шляхом радіального розрізання п'єзоелектричного керамічного кільця та заливки епоксидної смоли. Тоді отримують два п'єзоелектричних композитних кільця з різною товщиною стінок. Композитне кільце накладається, щоб утворити радіально випромінюючий подвійний резонансний перетворювач.

 

Рисунок 6. Високочастотний широкосмуговий перетворювач