Технологічні інновації в розробці підводних акустичних перетворювачів (1)

Технологічні інновації в розробці підводних акустичних перетворювачів

 

 

70,8% площі земної поверхні займає океан. Величезний океан є найбільшою скарбницею ресурсів на землі, а океан також є важливою позицією для міжнародної військової боротьби. Дослідження, розробка та використання океану невіддільні від звукових хвиль. Звукові хвилі є єдиним носієм інформації, який може подолати великі відстані в океані. Розвідка та розробка морських ресурсів, Перетворювач підводного зв’язку та навігація кораблів, виявлення та розпізнавання підводних цілей, моніторинг навколишнього середовища та прогнозування стихійних лих тощо покладаються на підводну акустичну технологію. Розвиток підводних акустичних технологій вимагає підтримки всіх видів підводних акустичних перетворювачів. Місія підводних акустичних перетворювачів полягає в передачі та прийомі звукових хвиль під водою, тому їх називають 'очі та вуха підводного акустичного обладнання', які можна назвати підводними акустичними перетворювачами. Народження 'H' знаменує собою початок розвитку гідроакустичної технології. Технічний прогрес гідроакустичних перетворювачів є важливою передумовою та основою для швидкого розвитку гідроакустичної технології (1)

 

The підводний акустичний перетворювач - це не проста ізольована тема, а багатопрофільна технічна сфера. Тісно пов’язані предмети в основному включають: фізику, матеріалознавство, математику, механіку, електроніку, хімію, механіку тощо, тому підводна акустика Хоча історія розвитку перетворювача нараховує понад сто років, тепер вона стала яскравою предметною сферою. Нагальна потреба в галузі гідроакустичної технології є прямою рушійною силою для розробки гідроакустичних перетворювачів, а розробка функціональних матеріалів і технологічний прогрес є найважливішою матеріальною основою для розробки гідроакустичних перетворювачів. Протягом всієї історії розвитку гідроакустичних перетворювачів, щоб найбільшою мірою відповідати постійно зростаючим технічним вимогам у галузі гідроакустики, відповідні функціональні матеріали постійно оновлюються. Люди провели спеціальні прикладні дослідження щодо характеристик різних функціональних матеріалів і розробили нові технології та запропонували нові структури, які покращили та підвищили комплексні технічні характеристики перетворювача, що уможливило нескінченний потік інноваційних результатів досліджень перетворювача. Автор вибирає деякі типові дослідницькі приклади пускових перетворювачів, аналізує та узагальнює інноваційні ідеї цих дослідницьких робіт з кількох різних точок зору та сподівається надати молодим науковцям певне керівництво та просвітництво, а також активно досліджувати глибокі аспекти класичних дослідницьких робіт.

 

1. Технічна інновація підводного акустичного перетворювача на основі функціональних матеріалів

 

У 1915 році Поль Ланжевен з Франції та інші використовували конденсаторний передавач і приймач частинок вуглецю для проведення підводних акустичних експериментів. Ці два передавальні та приймальні пристрої повинні бути примітивними підводними акустичними перетворювачами; 1917 ~ 1918 Ланжевен Чживан розробив і вдосконалив кварцовий перетворювач. Його вібратор складається з кількох п’єзоелектричних кварцових пластин, затиснутих між двома товстими сталевими пластинами. Ця структура називається датчиком Лангжівана. Оскільки природний кварц не може задовольнити постійно зростаючий попит, було виявлено, що водорозчинна синтетична п’єзоелектрична кристалічна сіль Рошель має сильніший п’єзоелектричний ефект, ніж кварц, але проблема його стабільності обмежує сферу застосування, а п’єзоелектричність дещо нижча. Кристали дигідрофосфату амонію (АДФ) завдяки своїм відносно стабільним властивостям широко використовувалися у Другій світовій війні. У 1920 магнітострикційний ефект був застосований в підводних акустичних перетворювачах; в 1925 р. розроблені і застосовані нікелеві магнітострикційні перетворювачі; в 1931 році поглиблене вивчення тонких нікелевих листів призвело до швидкого розвитку магнітострикційних перетворювачів. І поступово замінив п'єзоелектричні кристалічні перетворювачі; у 1944 році було виявлено, що кераміка з титанату барію має сильну п’єзоелектрику після поляризації, і її втрати набагато менші, ніж у магнітострикційних матеріалів. Пізніше п'єзоелектричні керамічні перетворювачі з титанату барію швидко розвивалися; Поляризована цирконат-титанат свинцю кераміка (PZT), відкрита в 1954 році, має сильнішу п'єзоелектрику. На сьогоднішній день п’єзоелектрична кераміка PZT залишається основним функціональним матеріалом підводних акустичних перетворювачів.

 

У 1970-х роках доктор Кларк А.Е. у Сполучених Штатах розробив рідкоземельний гігантський магнітострикційний потрійний сплав Terfenol-D. З 1990-х років релаксаційні сегнетоелектричні монокристалічні матеріали PZN-PT і PMN з високовольтними електричними властивостями та високою щільністю енергії -PT були відкриті один за одним, і були зроблені нові прориви в застосуванні цих трьох матеріалів. Цей розділ буде зосереджений на результатах досліджень цих нових функціональних перетворювачів матеріалів.

 

⒈Нове покоління магнітострикційних матеріалів та їх перетворювачів

Нове покоління магнітострикційних матеріалів включає рідкоземельні сплави та матеріали зі сплавів рідкісних металів. Величезний магнітострикційний ефект рідкоземельних сплавів було вперше виявлено в умовах низьких температур. Найвища магнітострикційна деформація матеріалу Tb0,6Dy0,4 при 77 К становить 0,65%, а найбільша магнітострикційна деформація Терфенолу-D при кімнатній температурі становить 0,25%. Є документи, які свідчать про те, що був розроблений магнітострикційний подвійний поршневий поздовжній перетворювач, що приводиться в дію надпровідною котушкою. Магнітострикційний стрижень із рідкоземельного (тербій-диспрозієвого) сплаву поміщають у кімнату для кондиціонування повітря (температура 50-60 К), а градирня циркулює та охолоджується градирнею холодильника. У кімнаті котушка з надпровідного матеріалу забезпечує магнітне поле зміщення постійного струму та магнітне поле збудження для збудження магнітострикційного стрижня для генерації розтягуючої вібрації та передачі її на випромінювальну поверхню поршневого типу через механічну перехідну частину. Випромінювальна поверхня поршневого типу штовхає водне середовище для створення хвиль тиску для випромінювання. 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%. Це підводний гідрофонний перетворювач ускладнює процес виготовлення з метою отримання низькотемпературних умов роботи. В останні роки люди охоче використовують матеріал Terfenol-D, який працює при кімнатній температурі, щоб спростити виробничий процес, досягаючи при цьому чудових радіаційних характеристик завдяки новій структурі.

 

Це восьмикутний перетворювач передавача з приводом Terfenol-D, розроблений Батлером до 1980 року. 16 рідкоземельних стрижнів розташовані у два шари, і 8 рідкоземельних стрижнів у кожному шарі з’єднані у восьмикутник через клиноподібний перехідний блок і утворюють замкнуту магнітну ланцюг, перехідний блок з’єднаний з випромінювальною поверхнею частини циліндра (близько до 45° центрального кута). кут), а рідкоземельний стрижень попередньо напружений через високоміцні дроти між перехідними блоками. Внутрішнє попереднє напруження рідкоземельного стрижня становить приблизно 13,8 МПа, а резонансна частота перетворювача у воді При 775 Гц порівнювали нелінійне керування в умовах магнітного поля зміщення постійного струму та умови незміщеного поля, а рівень джерела звуку 189,8 дБ в умовах магнітного поля зміщення постійного струму та 196,2 дБ в умовах незміщеного нелінійного поля були реалізовані відповідно.