Технологічні інновації в розробці підводних акустичних перетворювачів (2)

     Технологічні інновації в розробці підводних акустичних перетворювачів (2)

Залізо-галієвий сплав (галфенол) — новий тип магнітострикційного матеріалу, який з’явився в останні роки. Його магнітострикційна деформація знаходиться між нікелем і терфенолом-D при 300 ppm (ppm є мікроперемінною, що представляє ΔL/L=10-6). Вище, порівняно з терфенолом-D, він має такі переваги, як вища відносна проникність (>100), хороша оброблюваність, стабільність при високій температурі та висока міцність на розрив. Оскільки матеріал із залізо-галієвого сплаву має хороші характеристики обробки та високу механічну міцність, його можна використовувати для розробки та обробки корпусу датчика розтягування. На малюнку 2b наведено дослідницький приклад датчика розтягування з увігнутою циліндрою з корпусом із залізо-галієвого сплаву. The приводиться в дію підводний акустичний перетворювач . Вібратор складається з елементів зі сплаву залізо-галій розміром Φ20 мм × 40 мм і листів постійного магніту неодим-залізо-бор і утворює замкнутий магнітний контур із випромінювальною оболонкою. Експериментальні результати показують, що струм емісії перетворювача становить 168,4 дБ (резонансна частота 1750 Гц), що краще, ніж дюралюміній такого ж геометричного розміру. Перетворювач корпусу (резонансна частота 1900 Гц) покращено майже на 5 дБ, що відображає конструктивні переваги активного корпусу.

 

Опубліковані в 2000 році результати дослідження магнітострикційно-п'єзоелектричного спільного збудження широкосмугового поздовжнього перетворювача. Поздовжній перетворювач спільно керується блоком Terfenol-D і стеком PZT, який реалізує широкосмугову роботу 1,8 кГц і 3,5 кГц подвійного резонансного пікового зв’язку. Характеристики, в літературі також повідомляється, що потужна планарна решітка 4 × 4, що складається з цього типу перетворювача, рівень джерела звуку масиву перевищує 225 дБ у діапазоні частот 1,5-6 кГц.

 

Багатоблоковий поздовжній перетворювач приводу Terfenol-D, автор геніально спроектував блок приводу, його структура використовує муфту постійного магніту для застосування магнітного поля зсуву, щоб відокремити статичне магнітне поле від динамічного магнітного контуру, і динамічного магнітного. Елементи постійного магніту з низькою проникністю уникають на дорозі, і ефект руху енергії магнітного поля збільшується; є фізичною схемою приводу. 4 таких блоки приводу механічно з'єднані послідовно, утворюючи низькочастотну поздовжню заміну з передньою кришкою і хвостовою масою. Енергетичний пристрій, центральний гвинт попередньо напружений; На рис. 3c показано фактичне зображення перетворювача після упаковки, резонансна частота перетворювача становить 1,6 кГц, а рівень джерела звуку становить 177 бБ.

 

Конструкція магнітного кола магнітострикційного перетворювача дуже важлива. Батлер взяв увігнутий циліндровий перетворювач розтягування як приклад і порівняв робочі ефекти шести схем магнітного кола за допомогою аналізу кінцевих елементів. Структури магнітного кола на рис. 4a-f відповідно: .безперервний рідкоземельний стрижень плюс магнітно-проникна торцева кришка з чистого заліза та гільза, безперервний рідкоземельний стержень із проникною для чистого заліза торцевою кришкою додаткового пристрою, безперервний рідкоземельний стрижень без проникного аксесуара з чистого заліза, комбінація рідкоземельного стрижня та постійного магніту, а також кінцева кришка та гільза з чистого заліза, комбінація рідкоземельного стрижня та постійного магніту плюс торцева кришка аксесуара з магнітною проникністю з чистого заліза, комбінація рідкоземельного стрижня та постійного магніту без проникного магнітного аксесуара з чистого заліза, ефективні коефіцієнти електромеханічного зв’язку за розрахунками становлять 0,33, 0,30, 0,27 відповідно, 0,23, 0,21 та 0,20, що вказує на те, що ефективний коефіцієнт електромеханічного зв’язку рідкоземельних елементів вібратор змінено з безперервного рідкоземельного стрижня на рідкоземельний стрижень у поєднанні з листом постійного магніту. Торцеві кришки та гільзи магнітних проникних аксесуарів із чистого заліза мають певний вплив на покращення ефективності електромеханічного з’єднання рідкоземельного вібратора, але для приводних матеріалів з низькою відносною проникністю, таких як Terfenol-D, покращення незначне, і ефективний коефіцієнт електромеханічного з’єднання визначається від 0,20 до 0,23 або від 0,27 до 0,33.

 

 

2. Нове покоління п'єзоелектричних матеріалів та їх перетворювачів

До першої половини 20 століття всі п'єзоелектричні матеріали були монокристалами. Полікристалічний п’єзоелектричний керамічний титанат барію вперше був відкритий у 1950-х роках, а потім цирконат титанат свинцю (PZT) у 1960-х роках. Ефективність цієї п’єзоелектричної кераміки значно перевищує ефективність ранніх монокристалів, і з тих пір PZT став основним функціональним матеріалом підводних акустичних перетворювачів.

У середині 1990-х років було відкрито новий п’єзоелектричний монокристал свинцю ніобат магнію-титанат свинцю (PMN-PT) і свинець ніобат цинку-титанат свинцю (PZN-PT). Ці два п’єзоелектричні монокристалічні матеріали мають дуже високу деформацію насичення (більше 1%), низькі втрати та високий коефіцієнт п’єзоелектричного зв’язку (більше ніж 0,9), що демонструє потенційні переваги збільшення потужності та розширення смуги частот у напрямку підводного акустичного перетворювача. В останні роки потрійний ніобат індію свинцю-ніобат магнію-титанат свинцю (PIN-PMN-PT) і легований марганцем свинець ніобат індію-свинець-ніобат магнію-титанат свинцю (Mn: PIN-PMN-PT) п’єзоелектричний монокристалічний матеріал, який додатково покращує робочі характеристики в умовах сильного електричного поля.

Застосування п’єзоелектричних монокристалічних матеріалів, таких як PMN-PT, у галузі підводної акустики почалося з проектування та розробки поздовжніх перетворювачів. Мейєр та інші провели серію дослідницьких робіт, включаючи детальний аналіз 33-модових і 32-модових поздовжніх перетворювачів PMN-PT, а також порівняльне дослідження з PZT-8. На малюнку 5a зображено 33-модовий поздовжній перетворювач, що керується набором із 10 пластин PZT-8, на малюнку 5b — 33-модовий поздовжній перетворювач, що керується набором із 3 пластин PMN-PT, а на малюнку 5c — 4 пластини PMN-PT. поздовжній перетворювач. Результати показують, що коли PMN-PT і PZT-8 використовуються для виготовлення поздовжніх перетворювачів з однаковою частотою та рівнем джерела випромінювання та іншими параметрами, довжина стека кристала PMN-PT становить лише близько 30% від PZT-8, що демонструє технічні переваги п’єзоелектричних монокристалічних матеріалів для виготовлення малих перетворювачів; Режим 32 може зробити монокристалічні матеріали вирізаними відповідно до найкращої орієнтації продуктивності, і в той же час використовувати комбінацію довгих смужок. Він може уникнути технічних проблем, таких як вирощування однопластин великого розміру, підвищити надійність і узгодженість перетворювача, і має очевидні переваги для застосувань із легкою групою гідролокаторів середньої та високої частоти.

Монокристал розвинувся a циліндричний передавальний перетворювач, що складається з інкрустованих кілець. Кожне кільце складається з 12 клиноподібних смуг, а 9 кілець щільно зібрані в осьовому напрямку, утворюючи циліндр. Геометричний розмір (Φ20,3 мм × 66 мм) значно менший, ніж п'єзоелектричний керамічний перетворювач тієї ж частоти, і реалізує широкосмугові робочі характеристики понад 2,5 октави. В іншому документі монокристал PMN-PT використовується для розробки датчика розтягування з увігнутим барабаном. Привідний вібратор перетворювача складається з пакету з 16 аксіально поляризованих елементів Φ28 мм × Φ10 мм × 4,8 мм і вібраційної оболонки з титанового сплаву. Відгук про напругу випромінювання покращено більш ніж на 5 дБ порівняно з аналогічним перетворювачем із матеріалу PZT-4.

Температура тригонально-тетрагонального фазового переходу монокристала PMN-PT відносно низька, що певною мірою обмежує діапазон його застосування, особливо для застосувань в умовах високої потужності. Потрійний ніобат індій свинцю-ніобат магнію-свинець-титанат свинцю (PIN-PMN-PT) і легований марганцем монокристал (Mn: PIN-PMN-PT) роблять температуру фазового переходу сегнетоелектричного монокристала релаксора очевидною. Одночасно збільшують і значно зменшують коефіцієнт втрат: температура фазового переходу підвищується з 95°C до 125°C, коефіцієнт втрат зменшується з 0,26 до 0,15, а коефіцієнт втрат становить лише 1/2 від звичайної п'єзокераміки PZT-4. Існує також література, яка використовує ці два монокристали нової формули, PMN-PT і PZT-4, для виготовлення поздовжніх перетворювачів і порівняння їхніх потужних робочих характеристик, яка доводить, що монокристалічний матеріал нової формули більше підходить для умов високої потужності та великого робочого циклу. Рівень джерела звуку перетворювача PMN-PT на 5 дБ вищий, ніж у датчика PMN-PT на резонансній частоті. У порівнянні з п’єзоелектричною керамікою PZT-4 рівень джерела звуку та потужність на резонансній частоті в основному еквівалентні, а робоча смуга частот збільшена в 1 раз, а максимальний рівень джерела звуку за межами резонансної частоти збільшено приблизно на 6 дБ.

 

Дослідження застосування монокристалічного матеріалу PMN-PT здебільшого зосереджено на медичній високочастотній ультразвуковій системі візуалізації. Ось лише один випадок дослідження застосування гідроакустичного перетворювача Cymbal із використанням елемента PMN-PT розміром Φ12,7 мм × 1 мм для приводу титану товщиною 0,25 мм. Вібраційний ковпак із вигину зі сплаву розробив малогабаритний перетворювач напруги згину типу Cymbal, який має на 6 дБ вищу характеристику напруги випромінювання, ніж перетворювач PZT-4 з такою ж структурою.

 

2. Технічні інновації структури та технології підводного акустичного перетворювача

⒈Технічна інновація для покращення характеристик променя

У сучасних гідролокаторах зазвичай використовуються різні базові масиви для досягнення необхідних характеристик променя. Однак, коли інсталяційна апертура перетворювача обмежена і існують особливі вимоги до характеристик променя, необхідно вжити технічних заходів для контролю характеристик променя перетворювача. Основні технічні підходи до вдосконалення включають: застосування перегородок, модальну суперпозиційну технологію з використанням диполів і мультиполюсів тощо. У цьому розділі вибрано деякі типові приклади досліджень, зосереджуючись на аналізі та підсумку використання методів модальної суперпозиції для покращення характеристик променя перетворювача. Технічні досягнення.

⑴Використання перегородки для покращення характеристик променя перетворювача

У першій сонарній системі зазвичай використовувався незалежний перетворювач. Коли спрямованість не відповідає вимогам, відображення перегородки використовується для керування променем пропускання, що в основному включає проходження через плоску перегородку, циліндричну перегородку та сферичну перегородку. Пластинчастий і конічний перегородка для зміни спрямованості циліндричних перетворювачів, поршневих перетворювачів, сферичних перетворювачів тощо, певною мірою задовольняють потреби одностороннього керування променем передачі, як показано на малюнку 6, використання подвійних конусів. Відбиваюча перегородка регулює спрямованість магнітострикційного тороїдального перетворювача та реалізує односторонню характеристику випромінювання променя.

 

Існує література про те, що перетворювач вигину типу IV 3 кГц розміщується поблизу фокусу параболічної перегородки відбивача, так що датчик вигину типу IV типу IV з його власною ненаправленістю може досягати односпрямованих характеристик випромінювання. Експеримент отримує однокутний кут відкриття 83°. Різниця відгуків на промінь становить 21 дБ.

⑵ Модальний комбінований перетворювач спрямованості

Різноманітні структурні перетворювачі мають різні багатопорядкові моди коливань. Резонансні перетворювачі зазвичай працюють на основі режиму вібрації основної частоти. Різні режими вібрації відповідатимуть їхнім ефективним методам збудження, тому можна використовувати комбінацію методів збудження. Реалізуйте суперпозиційне керування кількома режимами вібрації, щоб досягти мети зміни характеристик передавального променя. Основні режими, які можуть змінювати характеристики променя перетворювача шляхом поєднання, включають монопольний режим, дипольний режим і квадрупольний режим тощо. Ці основні режими можуть досягати різноманітних діаграм спрямованості за допомогою зваженої комбінації. У цьому розділі, у поєднанні з результатами конкретної літератури, зроблено короткий аналіз і короткий опис технології обробки та методів збудження різних структурних перетворювачів для досягнення модальної суперпозиції.

Багаторежимна робота збудження зазвичай використовує метод збудження розділу, наприклад: п’єзоелектрична керамічна трубка або сферична оболонка часто використовує метод розділеного електрода, дивіться малюнок 7a, b; магнітострикційний багатокутний ( кільцевий) перетворювач, приймає незалежний шлях збудження краю.

 

Батлер та ін. спроектував і розробив 'модальний перетворювач', все ще використовуючи ідею конструкції розділового збудження, але порушуючи обмеження поділу незалежних компонентів, використовуючи 8 незалежних 1/4 поздовжніх вібраторів для розподілу хвостової маси, кожен перетворювач. Випромінююча поверхня є циліндричною дугою поверхнею, близькою до 45°, і вони спільно охоплюють розділене та незалежно кероване циліндричне випромінювання перетворювач. Геометричний розмір перетворювача не обмежений умовами процесу незалежних елементів, і в той же час приймається поздовжній напрямок попередньо напруженої конструкції. Вібратор має технічні переваги для проектування низькочастотних і потужних спрямованих передавальних перетворювачів. На малюнку 8 показано основні форми модальних коливань 'модального перетворювача'. Розроблено та розроблено модальні перетворювачі на основі п’єзокераміки PZT-8, монокристалу PMN-PT та гігантських магнітострикційних матеріалів Terfenol-D відповідно. Він отримав кардіоїдний спрямований передавальний промінь з індексом спрямованості 6 дБ і різницею 25 дБ у відгуку спереду назад.

 

Це ще один тип низькочастотного та високопотужного перетворювача спрямованого випромінювання — датчик згинання із зонним збудженням. У конструкції п’єзоелектричний стек (або магнітострикційний вібратор) перетворювача згинання-натягу піддається зонному збудженню, використовуючи комбінацію монопольних і дипольних мод, накладених для формування кардіоїдного спрямованого пучка випромінювання. На малюнку 9а зображено датчик вигину спрямованості IV типу IV із частотою 900 Гц, а на малюнку 9b — датчик розтягування типу VII спрямованості на 3 кГц.

У літературі досліджується широкосмуговий багатомодовий циліндричний перетворювач з перегородкою (показано на малюнку 10). Електроди п’єзоелектричної керамічної циліндричної трубки однаково поділяються на дві групи та незалежно збуджуються для отримання монополя (0 мод) і диполя (1 режим), а потім співпрацюють із перегородкою для реалізації одностороннього спрямованого випромінювання. У дослідницькій роботі також використовується співвідношення фаз між режимами для розробки незалежного підсилювача потужності та схеми налаштування через низьку частоту '0+1' і високу частоту '0 + 1'. －1' Модальне комбіноване керування реалізує широкосмугові робочі характеристики. Перетворювач використовує 4 п’єзоелектричні круглі трубки PZT-4 Φ38,2 мм × Φ31,8 мм × 19 мм у напрямку висоти, а розмір після упаковки становить Φ48 мм × 79 мм. Перегородка виготовлена з двох частин пробкової гуми, ламінованої, щоб утворити півколо. циліндрична поверхня має товщину 6 мм, а характеристика напруги випромінювання коливається на 6 дБ у діапазоні частот 26-46 кГц.

2. Технічні інновації для покращення частотних характеристик

З різноспрямованим розширенням напряму застосування підводної акустичної технології безперервно розширюється діапазон робочих частот активних гідролокаційних систем. Серед них робоча частота ехолота зображення високої роздільної здатності була збільшена до 106 Гц, а робочий діапазон частот ехолота наддалекого виявлення та зв’язку ще нижчий. Нижче 100 Гц; з іншого боку, розвиток обробки гідролокаційної інформації вимагає, щоб робоча смуга частот перетворювача була якомога ширшою. Таким чином, низькочастотні перетворювачі та широкосмугові перетворювачі привернули велику увагу в області підводної акустики в останні роки, і результати досліджень досить багаті. Проте є ще багато теоретичних і технічних проблем, які ще недостатньо вирішені. Цей аспект все ще залишатиметься гарячою точкою досліджень і центром майбутнього розвитку. У цьому розділі виділено науково-дослідні роботи в напрямку низькочастотних перетворювачів і широкосмугових перетворювачів, їх аналіз і узагальнення. Інноваційні ідеї та нові технологічні досягнення.

⑴ Інноваційний дизайн низькочастотного перетворювача

①Низькочастотний перетворювач вібрації на згин

Першою технічною проблемою, з якою стикається розробка низькочастотних перетворювачів, є геометричний розмір. Як правило, робоча частота резонансних перетворювачів обернено пропорційна геометричному розміру, тобто чим нижча частота перетворювача, тим більший геометричний розмір, наприклад, 500 Гц поздовжнього перетворення. Довжина енергетичного пристрою близько 3м. Згинальна вібрація може ефективно зменшити геометричні розміри низькочастотних перетворювачів. Серед них перетворювачі, функціональні пристрої яких безпосередньо беруть участь у згинальній вібрації, в основному включають перетворювачі згинальних балок, перетворювачі згинальних дисків тощо.

На малюнку 11а показана типова конструкція балки, що складається з трьох елементів. Шматок п'єзоелектричних керамічних смужок наклеєно на верхній і нижній частині згинальної балки. Коли одна з п’єзоелектричних керамічних смужок розтягується, а інша стискається під час збудження, металевий промінь посередині вироблятиме вібрацію згинання. Цей вид перетворення енергії. Для випромінювання звукових хвиль пристрій має бути підданий впливу води з одного боку, тому зазвичай кілька вигнутих променів об’єднуються, щоб утворити повітряну порожнину, як показано на малюнку 11b, кожна випромінююча поверхня вібрує в фазі.

 

Подібний принцип роботи називається вигнутим дисковим перетворювачем із дисковою структурою, яка також включає тришарову та подвійну ламіновану структуру. На малюнку 11c показано компактний вигнутий дисковий перетворювач, що складається з пари подвійно ламінованих листів. (Бендер). Системний аналіз Delany досліджував низькочастотні, малі та потужні робочі характеристики Bender.

Розробка низькочастотних перетворювачів згинальної вібрації також включає новий тороїдальний перетворювач із роздільною структурою (показано на малюнку 12). Роздільний тороїдальний перетворювач можна розглядати як спеціальний перетворювач згинального променя. Оригінальна структура була запропонована Харрісом у 1957 році. Композитний кільцева балка складалася з внутрішнього п’єзоелектричного керамічного кільця та зовнішнього металевого кільця. Моделювання та аналіз перетворювача базувалися на 'моделі камертона', показаній на малюнку 12b, і рушійний елемент був налаштований на розділену структуру. Перетворювач із роз’ємним кільцем може мати більший розмір, а масу можна регулювати за допомогою розподілу товщини та жорсткості для досягнення оптимізації робочої частоти та характеристик випромінювання, як показано на малюнку 12c.

 

②Перетворювач напруги згину

Концепція датчика згинання виникла з патенту Хейса в 1936 році. Після того, як Туліс опублікував патент на перетворювач згинання типу IV у 1966 році, почалися активні дослідження та застосування датчика згинання, і наразі їх було більше половини. Протягом століття історії розвитку народжувалися різні структурні форми перетворювачів згинання, а їхні принципи роботи та структурні процеси сповнені інноваційних дизайнерських ідей. Ми не можемо представити їх по одному в хронологічному порядку їх розвитку, лише датчики згинання і розтягування. Структура та методи стимулювання компанії поділяються на наступні три категорії, які коротко проаналізовано та узагальнено.

△Перетворювач напруги згину циліндричної конструкції. Цей тип перетворювача приводиться в рух поздовжнім телескопічним вібратором для переміщення вібраційної оболонки при згині, як показано на малюнку 13. Вібраційна оболонка перетворювача є поступальною конструкцією, тобто циліндричною поверхнею різної форми, що приводиться в рух одним або декількома поздовжніми телескопічними вібраторами, a — датчик вигину типу IV, b — тип VII flextensional transducer Енергетичний пристрій, c — це 'зіркоподібний' перетворювач згину-натягу, що приводиться в дію ортогональним п'єзоелектричним блоком, і 'зіркоподібний' перетворювач згину-натягу, що приводиться в рух чотирикутним магнітострикційним вібратором. Оскільки цей тип перетворювача легко сконструювати як вібратор збудження з перегородками, описаний вище спрямований перетворювач згинання і розтягування зазвичай вибирає цей тип конструкції.

△Перетворювач згину-натягу з довгим корпусом обертання. Цей тип перетворювача приводиться в дію поздовжнім телескопічним вібратором для приводу обертально-симетричної вібраційної оболонки згинання, як показано на малюнку 14. Вібраційна оболонка перетворювача є обертально-симетричною структурою, що включає серію бочкоподібних балок, розподілених уздовж кола, які, як правило, приводяться в дію поздовжньо-телескопічним вібратором. На малюнках 14a і b зображені опуклі форми датчика згинання і розтягування типу I. Структура та увігнута структура; як показано на малюнку 14c, поздовжній вібратор збудження перетворювача подовжується в аксіальному напрямку, щоб збільшити об’єм функціонального матеріалу для перетворення в перетворювач згинання і розтягування типу II; як показано на малюнку 14d, вібраційний кожух при згині сконструйований у формі двох або більше секцій, він перетворюється на перетворювач вигину типу III. Перетворювачі згинання типу II і типу III мають відповідні увігнуті структури.

△Перетворювач згину-натягу з плоским обертовим корпусом. Цей тип перетворювача приводиться в дію вібратором, що радіально розширюється, для приводу обертально-симетричної вібраційної оболонки, що згинається, як показано на малюнку 15. Вібраційна оболонка перетворювача є обертально-симетричною структурою, як правило, парою опуклих або увігнутих сферичних коронок (або сферичних коронок), що приводяться в рух кільцевим або дисковим вібратором, що радіально розширюється, малюнок 15a. показує кільцевий датчик V-типу згинання, b – це пластинчастий перетворювач згинання V-типу, c – датчик згинання типу VI, d і e – невеликі датчики згинання, розроблені на основі структури b. Пристрій називається датчиком тарілки.

△ Низькочастотний перетворювач порожнини. Резонатор Гельмгольца — це основна форма підводного акустичного перетворювача з порожниною, як показано на малюнку 16. a, b і c — це три основні структури резонаторів Гельмгольца, які використовують збудження від п’єзоелектричної керамічної трубки, збудження від згинального диска та збудження від п’єзоелектричної керамічної кульки. Резонатори Гельмгольца зазвичай мають вузьку робочу смугу частот, і d використовується на основі b Подвійні робочі поверхні вигнутого диска збуджують резонансні порожнини різного об’єму для реалізації подвійного резонансу. У літературі створено більш повну модель аналізу резонатора Гельмгольца та проаналізовано зв’язок між робочими характеристиками та структурними параметрами резонатора Гельмгольца 300 Гц. Морозов та ін. сконструював підводне джерело звуку органа (показано на малюнку 17). Конструкція, показана на малюнку 17а, реалізує налаштування частоти шляхом переміщення втулки для зміни імпедансу резонансної системи. Частота налаштування коливається від 225 до 325 Гц, а ефективність становить до 80% або більше, що відображає систему високої добротності (фактор якості) з високими характеристиками ефективності; Рисунок 17b У конструкції використовується двотрубна структура з вбудованим сферичним джерелом звуку для досягнення двочастотного резонансу. Низькочастотний резонанс - це резонанс порожнини, що складається з гільзи з подвійною секцією. Високочастотний резонанс – це лише резонанс, який відповідає внутрішній резонансній трубці. Зовнішня гільза та внутрішня резонансна трубка можуть використовувати металевий алюміній або неметалічні матеріали з вуглецевого волокна.

⑵ Інноваційний дизайн широкосмугового перетворювача

В історії розвитку підводної акустичної техніки було вироблено різноманітні конструктивні форми підводних акустичних перетворювачів, робочі характеристики кожного з яких визначаються його структурними характеристиками. Щоб адаптуватися до інженерних потреб широкосмугового застосування, майже кожен конструкційний перетворювач стикається з технічними проблемами широкосмугового проектування та вдосконалення процесу. Серед них поздовжній перетворювач є однією з найпоширеніших структурних форм перетворювачів у галузі підводний широкосмуговий перетворювач . Результати досліджень широкосмугового проектування та застосування досить багаті. Технічні принципи широкосмугового проектування інших структурних перетворювачів в основному подібні. У цьому розділі зосереджено увагу на серії нових ідей дизайну на основі поздовжніх перетворювачів для досягнення широкосмугових характеристик.

① Комбінований широкосмуговий поздовжній датчик

Застосування комбінації частотних діапазонів уже почалося на ранній стадії розвитку гідролокаційної технології. Перші роботи були помічені в 1940-х роках. Три магнітострикційні поздовжні перетворювачі з різними резонансними частотами використовувалися для приводу в рух прямокутної випромінювальної пластини та шести перетворювачів у сходовому порядку. При керуванні загальною котушкою обмотки (показано на малюнку 18) незалежні резонансні частоти перетворювача становлять відповідно 21,5, 23 і 24,5 кГц, Q=12 і Q=4 після комбінації. Хоча цей метод поєднання діапазонів частот не є суто широкосмуговим перетворювачем, він все ще широко використовується в галузі підводної акустики, особливо в акустичних системах, таких як імітація шуму та акустичні манівці. Комбінація пристроїв реалізує надширокосмугові характеристики випромінювання.

 

② Модальний широкосмуговий поздовжній перетворювач

При аналізі одновимірної моделі зазвичай передбачається, що передня кришка поздовжнього перетворювача вібрує подібно до поршня, тобто вібрація згину не виникає. Коли рупор випромінювальної поверхні перетворювача є відносно широким, він повинен супроводжуватися згинальною вібрацією, що є розумним. Використовуючи режим згинальної вібрації передньої кришки, щоб ефективно поєднати його з повздовжнім режимом вібрації, можна спроектувати широкосмуговий поздовжній перетворювач. У літературі досліджено ефект зв’язку вібрації при згині та поздовжньої вібрації квадратної випромінюючої кришки та розроблено широкосмуговий перетворювач. В іншій літературі в радіаційну кришку вбудовано вібруючий і згинальний диск, який згинається з режимом вібрації поздовжнього перетворювача, а широкосмуговий перетворювач розроблений і розроблений, як показано на малюнку 19a. П'єзоелектричний стек поздовжнього перетворювача може бути розроблений у кількох групах. Як показано на малюнку 19b, це основна структура перетворювача, яка використовує подвійний модальний зв’язок збудження для досягнення широкосмугової роботи. Батлер заснований на структурі подвійного збудження поздовжнього перетворювача. Поглиблені розробки, такі як використання магнітострикційного та п’єзоелектричного гібридного подвійного збудження для розробки широкосмугового поздовжнього перетворювача та передньої кришки для наклеювання шару узгодження 1/4 довжини хвилі та розробки ультраширокосмугового поздовжнього перетворювача з резонансним зв’язком третього порядку. Пристрій, як показано на малюнку 19c, має робочу смугу частот від 13 до 37 кГц.

③Широкосмуговий поздовжній перетворювач у поєднанні з рідинною порожниною

Типовою конструкцією зв’язку між поздовжнім перетворювачем і рідинною порожниною є перетворювач Януса-Гельмгольца (показаний на малюнку 20). Поздовжній перетворювач має двосторонню випромінювальну структуру, яка називається Janus, із циліндричною втулкою, призначеною для формування резонансної порожнини Гельмгольца між подвійними випромінюючими головками Janus; резонансний перетворювач загальної рідинної порожнини має вузьку робочу смугу частот. У спільному застосуванні Janus широкосмугова передача може бути реалізована за допомогою оптимізованої конструкції модального зв’язку.

Галл розробив два перетворювачі Януса-Гельмгольца, 300 Гц і 160 Гц, і детально вивчив вплив додавання податливої ​​трубки в резонансну порожнину Гельмгольца на широкосмугові робочі характеристики перетворювача.

⒊Технічна інновація для покращення потужності випромінюваного звуку

Прямий спосіб збільшити звукову потужність підводного акустичного перетворювача - це збільшити об'єм перетворювача, збільшити кількість і сформувати щільно упаковану матрицю. Найбільш ефективним методом є використання функціональних матеріалів з високою щільністю енергії. У попередніх розділах було пояснено застосування функціональних матеріалів з високою щільністю енергії. У цьому розділі зосереджено увагу на технічних інноваціях у структурі та процесі малооб’ємних високопотужних перетворювачів.

При описі переваг і недоліків малих розмірів і високої потужності перетворювача для вимірювання зазвичай використовується об'ємна добротність, а саме

FOMv=Wa/V/f0/Q ⑴

Формула ⑴ визначає об’ємний коефіцієнт якості певного типу перетворювача, де: Wa — звукова потужність (Вт), V — об’єм перетворювача (м3), f0 — резонансна частота (Гц), Q — добротність, Об’ємний коефіцієнт якості пристрою тісно пов’язаний зі структурою та функціональними матеріалами. Делані спроектував і розробив компактний вигнутий дисковий перетворювач (Bender), а також систематично аналізував і вивчав робочі характеристики низькочастотних, малих розмірів і високої потужності Bender.

 

 

Є література, що проектує перетворювач вигину та натягу з увігнутою структурою типу I (тип увігнутої бочки) у більш компактну комбінацію, яка дає змогу створювати декілька кластерів перетворювачів в обмеженому об’ємі для максимізації об’ємного зміщення та досягнення великих характеристик потужності, як показано на малюнку 21, вершини 6 датчиків згинання та розтягування типу I об’єднані разом, щоб утворити «тривимірну шестикутну зірку». flextensional перетворювач, який має характеристики компактної структури, низької частоти, високої потужності та широкого частотного діапазону: основна резонансна частота Відповідь напруги передачі на 1,15 кГц становить 127 дБ, всеспрямований, а відповідь напруги передачі від 800 Гц до 10 кГц перевищує 120 дБ. Параметр FOMv не наводиться в літературі, і очікується, що він буде еквівалентним або вищим, ніж 'зіркоподібний' датчик розтягування.

Вищенаведений дизайн і аналіз для досягнення малих розмірів і високої потужності в основному починаються з електричних і механічних обмежень і враховують лише щільність енергії функціональних матеріалів і межу вібрації конструкції. Коли перетворювач потребує тривалого імпульсу або безперервної роботи, тепло та розсіювання тепла перетворювача буде найбільшою проблемою в умовах високої потужності. У цей час температурна межа є основним фактором, що обмежує кінцеву потужність перетворювача. Термічна межа перетворювача є одним із важливих основних питань, які стурбовані технікою. Як і про деталі процесу перетворювача, існує не так багато публічно оприлюднених дослідницьких статей. Існує література для моделювання та аналізу теплових проблем низькочастотних і високопотужних перетворювачів, а також для обговорення проблем теплопровідності датчиків Януса-Гельмгольца та датчиків розтягування типу IV. Коли перетворювач працює на мілководді, особливо при передачі низької частоти та високої потужності, збільшення звукової потужності також буде обмежено акустичним обмеженням фактора кавітації. На цьому фоні метод збільшення потужності одного перетворювача вже неефективний. Базовий масив також буде обмежено, тому існує лише один спосіб сформувати розріджений базовий масив.

Таким чином, при проектуванні низькочастотних і високопотужних перетворювачів необхідно раціонально вибирати структурну форму і функціональні матеріали, беручи до уваги такі фактори, як електрична межа, механічна межа, термічна межа та акустична межа, а також проводити загальний аналіз і комплексну оптимізацію. Існує оптимальне співвідношення між граничною потужністю і об'ємом перетворювача. Поглиблені дослідження цього стануть одним із технічних напрямків низькочастотних і потужних перетворювачів у майбутньому.

 

⒋Технологічні інновації для підвищення стійкості до гідростатичного тиску

Наразі академічна спільнота запропонувала такі ідеї розвитку, як прозорі океани та інформатизовані океани. Мета полягає в тому, щоб дозволити підводним інформаційним технологіям охоплювати всі куточки океану, включаючи полярні регіони та безодні. Тому вони висувають вимоги до використання підводних акустичних перетворювачів на більшій глибині. Навіть кинути виклик здатності працювати в морських глибинах. Стійкість перетворювача до гідростатичного тиску тісно пов’язана зі структурою перетворювача, особливо для низькочастотних перетворювачів випромінювання з низькою структурною жорсткістю. Вирішення технології опору гідростатичного тиску стало важливою темою в сучасній галузі технології перетворювачів. Поточні ефективні методи та засоби для вирішення робочої глибини в основному включають заповнення рідиною, сумісне заповнення труб, що відповідає рідині, природну структурну опору, компенсацію газового балона високого тиску, компенсацію подушки безпеки тощо. На робочих глибинах понад 1000 м єдиним ефективним технічним методом є технологія заповнення рідиною, включаючи тип вільного переливу, який безпосередньо використовує морську воду як рідину для заповнення або заповнює деякі середовища імпедансу масла для досягнення самостатичного балансу тиску; в межах 1000 м стійку до тиску податливу трубку можна використовувати в рідинній порожнині одночасно для покращення податливості рідинної порожнини; У межах 200 м природна опора конструкції витримує гідростатичний тиск. Деякі перетворювачі з дуже низькою структурною жорсткістю (наприклад, перетворювачі з рухомою котушкою) можуть використовувати повітряні циліндри високого тиску для забезпечення компенсації тиску. Як правило, в межах 100 м можна використовувати компенсацію подушки безпеки. Перетворювач із порожнинною структурою, наведений вище, загалом може бути розроблений як робочий режим із заповненням рідиною для досягнення глибоководної роботи. У цьому розділі наведено кілька прикладів застосування конструкції маслонаповненої конструкції.

 

Дослідницька робота Кендіга , опублікована в 1965 році, комбіноване застосування 4 п’єзоелектричних керамічних поздовжніх перетворювачів PZT-4 з дисковим приводом, заповнених силіконовою олією для захисту порожнечі, утвореної між сталевою оболонкою (включно з гумовою пластиною, що передає звук) і перетворювачем. Порожнина з’єднана із задньою рідинною камерою. Передня звукопроникна гума та заднє гумове вікно контактують із морською водою для досягнення балансу внутрішнього та зовнішнього тиску. Робоча смуга частот перетворювача становить 30-50 кГц, експериментально вивчена робота в діапазоні гідростатичного тиску 0-6,9 МПа. Характерно, що цей метод балансу тиску все ще використовується в багатьох глибоководних гідролокаторах. На малюнку 22b показано тороїдальний перетворювач вільного переливу з масляною структурою. П'єзоелектричне керамічне кільце підвішено в поліуретановому гумовому рукаві, а внутрішня частина наповнена силіконовою олією для досягнення балансу тиску із зовнішнім світом. Поліуретановий каучуковий рукав є ідеальним матеріалом для передачі звуку, цей тип перетворювача має подібні робочі характеристики, як форма прямого інфузійного покриття з поліуретанової гуми. Для круглої трубки PZT-4 Φ 150 мм × Φ 140 мм × 50 мм аналіз моделювання та експериментальне дослідження поліуретанового каучуку в діапазоні частот 5 ~ 10 кГц. Матеріал гільзи замінено титановим сплавом або сталлю. У результаті титановий сплав знижує характеристику напруги випромінювання приблизно на 6 дБ, а сталь – приблизно на 12 дБ.

 

3. Висновок

З огляду на сторічну історію розвитку технології перетворювачів, від народження першого п’єзоелектричного перетворювача до бурхливого розвитку сучасних технологій перетворювачів, технологічні інновації в підводних акустичних перетворювачах часто з’являлися. Основні цілі інновацій та розвитку технології перетворювачів включають: спрощення складних процесів, подолання технічних вузьких місць, переписування технічних обмежень, покращення комплексної технічної продуктивності, пропонування нових концепцій і нових механізмів, створення та розвиток нових технічних напрямів, а також поглиблення та вдосконалення теорії системних дисциплін перетворювачів тощо. Ця стаття представляє деякі дослідницькі приклади, які відображають інноваційний дизайн і вишукану майстерність перетворювача з точки зору застосування нових матеріалів, нової структури та технології перетворювача тощо.