Forschungsfortschritt und Entwicklungsmöglichkeiten der Unterwasserschallwandlertechnologie

Akustische Wellen gelten als der einzige Informationsanbieter, der lange Strecken im Ozean zurücklegen kann. Meeresforschung, Ressourcenentwicklung und maritime militärische Kämpfe sind mit der Unterwasser akustischen Technologie untrennbar miteinander verbunden. Die Entwicklung der Hydroakustik -Technologie erfordert verschiedene Arten von Hydroakustikern, um Unterstützung zu leisten, und die Mission von Hydroakustikern besteht darin, unter Wasser Schallwellen zu übertragen und zu empfangen, so Wandler umfassen hauptsächlich die Anwendung neuer Materialien, die Einführung neuer Prozesse und die Gestaltung neuer Strukturen zur Verbesserung und Verbesserung der umfassenden technischen Leistung des Wandlers. Die dringende Nachfrage aus dem Gebiet der Hydroakustikentechnologie ist die direkte Entwicklung von hydroakustische Wandler. Power. In diesem Artikel konzentriert Die Analyse und Zusammenfassung in Kombination mit m Die Strategie und Situation des Landes der Marine Technology Development und der Situation des Landes diskutieren kurz die Herausforderungen und Entwicklungsmöglichkeiten der derzeitigen Technologie zur akustischen Unterwasserschildanlage.

DasUnterwasser akustischer Wandlerist eine Art von Sensor, die die Umwandlung von Schall und anderen Energie- oder Informationsformen im Wassermedium realisiert; Der akustische Unterwasser-Wandler ist die Front-End-Ausrüstung des Sonarsystems und auch die Wechselwirkung zwischen dem Sonarsystem und dem Wassermedium, um Informationen auszutauschen. Fenster \". Das Gebiet der Forschung und Entwicklung der Unterwasserschallwandlertechnologie beinhaltet die Integration mehrerer Disziplinen und die eng verwandten Disziplinen hauptsächlich: Physik, Materialwissenschaft, Mathematik, Mechanik, Elektronik, Chemie, Mechanik usw. Entwicklung von akustischen Unterwasser -Wandlern ist eng mit den Errungenschaften anderer grundlegender Disziplinen verbunden, und gleichzeitig ist die Entwicklung verschiedener verwandter Disziplinen eingeschränkt. Die Bewertung der jahrzehntelangen Entwicklungsgeschichte der hydroakustischen Wandler meines Landes kommt die größte Entwicklungsmotivation, die größte Entwicklungsmotivation kommt zu Aus den Anwendungsanforderungen auf dem Gebiet der Hydroakustik -Technologie, aber bis zum Ende des 20. Jahrhunderts fehlte die Entwicklung der Hydroakustik -Wandlertechnologie meines Landes insgesamt und systematisch.

1.1 Forschungsfortschritt von Niederfrequenzwandlern

Als Reaktion auf die dringenden Bedürfnisse der Übertragung von Unterwasserinformationen mit ultra langer Ebene und der Entwicklung des Ultra-Stealth-U-Boot-Nachweiss sind seit dem 21. Jahrhundert eine niedrigfrequente Übertragung von Transduktionsern zu einem der am meisten betroffenen Hotspots auf dem Gebiet der akustischen Unterwasser-Schallwandler geworden. Das Arbeitsfrequenzband der Erkennung und Kommunikationssonar mit ultra langer Reichweite wurde auf etwa 100 Hz reduziert. Niederfrequente Wandler beinhalten viele theoretische und technische Probleme, die derzeit nicht gut gelöst wurden, und dieser Aspekt wird immer noch der Forschungs-Hotspot und den Schwerpunkt der Aufmerksamkeit in der zukünftigen Entwicklung sein. Dieser Abschnitt wählt die Forschungsarbeiten von Niederfrequenzwandlern der Biegeschwingung und der Biegespannungswandler aus und fasst die neuen technologischen Erfolge zusammen.

1.1.1 Biegevibration Niederfrequenzwandler

Das erste technische Problem, mit dem die Entwicklung von Unterwasserwandlern mit niederer Frequenz konfrontiert ist, ist die geometrische Größe. Im Allgemeinen ist die Arbeitsfrequenz von Resonanzwandlern umgekehrt proportional zur geometrischen Größe. Das heißt, je niedriger die Frequenz des Wandlers ist, desto größer wird die geometrische Größe. Vibration kann die geometrische Größe von Niederfrequenzwandlern effektiv verringern. Die neuen Konstruktionen von niederfrequenten Schwingungswandlern in China in den letzten 20 Jahren umfassen hauptsächlich gebogene Strahlwandler und gebogene Scheibenwandler.

(1) Biegestrahlwandler. Entwerfen Sie einen zylindrischen Cantilever Strahl -Breitbandtransmitter -Wandler (Abbildung 1A). Das Strukturdesign kombiniert die Eigenschaften der Modalfrequenz mit niedriger Biegeschwingung und die Methode der multimodalen Schwingungskopplung, um das Frequenzband zu erweitern. Chai Yong et al. Es wird ein Rohrstrahlkuppling-Ring-Wandler vorgeschlagen (Abbildung 1b). Durch Zugabe eines gekrümmten Strahls zum eingelegten ringförmigen Wandler, der eine Rohrstrahlkupplungsstruktur bildet, wird der effektive Arbeitsmodus erhöht. Verwenden Sie eine Multi-Mode-Kopplung, um niederfrequente und breite Betriebseigenschaften zu erreichen. Die Überlaufstruktur wird übernommen, und ihre Fähigkeit, dem hydrostatischen Druck standzuhalten, wurde durch die tatsächliche Anwendung des 3 000 m Tiefsee-Taucherstandards überprüft. Xu et al. schlug zwei Entwurfsschemata für vorzylindrische Niederfrequenzwandler(Abbildung 1c und d) führten eine Reihe von Simulationen durch und gaben die Emissionsantwortkurven an, die von den neuen magnetostriktiven Materialien Terfenol-D und Galfenol angetrieben wurden. Es zeigt das Potenzial der Wandlerstruktur für ultra-niedrige Frequenzanwendungen.

(3) Scheibenwandler gebogener Datenträger. Der gekrümmte Disc-Wandler umfasst Drei-Stapel-, Doppelstapelstrukturen usw. Abbildung 2A zeigt einen kompakt gebogenen Scheibenwandler, der aus einem Paar Doppellaminationen besteht. Die ausländische Forschungsarbeit ist relativ reif. Es wird eingehende Untersuchungen zu dieser Grundstruktur des gekrümmten Scheibenwandlers durchgeführt. Ausgehend von dieser Grundstruktur wurden einige neue Designs hergestellt, indem die Flüssigkammer entworfen und der Fahrmodus verbessert wurde. 2B ist ein gebogener Scheibenwandler, der von einem Mosaikring angetrieben wird. Das Design von Abbildung 2C verwendet gekrümmte Scheibenwandler unterschiedlicher Größen, um eine Matrix zu bilden, und verschiedene Fahrmethoden, um den Breitbandbetrieb zu erreichen. Abbildung 2D ist ein gebogener Scheibenwandler mit Überlaufhohlraumstruktur. Die Größe des Flüssighöhlens wird im Design angemessen angepasst, um die akustischen Leistungsanforderungen zu erfüllen. Es handelt sich um einen gebogenen Scheibenwandler, der von Galfenol angetrieben wird und eine Struktur verwendet

Abbildung 2 Neues Design des niederfrequenten Wandlers mit gekrümmter Scheibe

1.1.2 Fahlesionaler Wandler

Das Konzept des Flextsional-Wandlers begann 1936 von Hayes 'Patent. Der grundlegende Arbeitsmodus ist, dass ein oder mehrere Teleskop-Vibratoren die Biegeschwingungshülle treiben, um eine niedrige Frequenz-Schallstrahlung zu erzeugen. Die Forschung und Anwendung von Fahlesionalwandlern in meinem Land ist seit Ende des 20. Jahrhunderts aktiv. Forscher haben Fahlesionalwandler mit verschiedenen Strukturen entworfen. Gemäß der Struktur- und Anregungsmethode sind die flüchtigen Wandler in drei Kategorien unterteilt. Diese Klassifizierungsmethode wird hier verwendet, um separat einzuführen.

(2) Biegerspannungswandler mit zylindrischer Struktur. Diese Art von Wandler wird von einem longitudinalen teleskopischen Vibrator angetrieben, um die Biegeschwingungshülle zu übersetzen. Die vibrierende Hülle des Wandlers ist eine translationale Struktur, dh eine zylindrische Hülle verschiedener Formen, die von einem oder mehreren longitudinalen teleskopischen Vibratoren angetrieben wird. Einschließlich des iV -Typs flextsionaler Wandler und deren Deformationsstruktur, VII -Typ -Flextsional -Wandler, viereckiger Flextsional -Wandler usw. ist eine typische IV -Flextsional -Transducer -Struktur. Der von einem ferroelektrische einrelektrische einkristallkristallkristall -PMNT -Material angetriebene IV -Fahlermaterial wurde entwickelt. Der von dem seltenen Erdgiganten magnetostriktiven Material Terfenol-D angetriebene IV-Fahlesional-Wandler wurde entwickelt. Abbildung 3B ist das neue Design des VII-Typs flextsionaler Wandler, der vom Magnetostriktivmaterial Terfenol-D des Seltenen Erdgiants angetrieben wird. Die Anregungsmethode ist im breitesten Teil der Quermessung ausgelegt, und ein Paar paralleler Vibratoren ist so konzipiert, dass sie einen detaillierten Blick auf diese Art von Wandler verleihen. Die Forschungsreihen umfassen Prestress -Designanalyse, theoretische Modellierung, modale Analyse, experimentelle Forschung usw. Abbildung 3C ist ein verbessertes neues Design des IV -Fahlesions -Wandlers, der der Entwurfsverbesserung des Typ -I -Flextsional -Wandlers zum Typen entspricht II Flextsional Wandler, unter Verwendung einer elliptischen Schalenstruktur mit einer länglichen Langachse, dem Wandler, der vom relaxor ferroelektrischen Einzelkristallmaterial PMNT angetrieben wird, das bessere Breitband -Betriebseigenschaften aufweist als der Floxsional -Transducer vom allgemeinen IV -Typ. Abbildung 3D ist das früheste neue Design zur Verbesserung des Flextsional-Wandlers vom IV-Typ in China-dem Fischlip-Fahenverwandler, der eine elliptische Hülle mit variabler Höhe verwendet und die seltene Erde Super Magnetostrictive Material Terfenol-D-Antrieb verwendet Shell hat einen Hebelarmeffekt und einen stark gewichteten Doppel-Amplifikationseffekt. Gegenwärtig wurde der Fischlip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Lip-Wander serialisiert und in eine Doppelschalenstruktur entwickelt, um die Übertragungsleistung weiter zu erhöhen. Die maximale Schallleistung eines einzelnen Wandlers kann 10.000 Watt erreichen, was es zu einem inländischen niedrigen Frequenz-Hochleistungs-Übertragungs-Wandler zu einem der Grundtypen macht. Abbildung 3E ist ein orthogonaler Anregungsviertel, der eine kompakte Entwurfsverbesserung annimmt, die mehr funktionelle Materialien in einem begrenzten Volumen hinzufügen und die Emissionsklangquellenniveau verbessern kann. Abbildung 3F ist ein weiteres verbessertes neues Design des IV -Fahlesional -Wandlers, ähnlich der Konstruktionsverbesserung des Flextsional -Wandlers vom Typ I zum Typ III -Fahlesional -Wandler, der zwei elliptische Muscheln in Reihe entlang der langen Achsenrichtung als Ganzes verwendet, ein länger Der piezoelektrische Stapel wird verwendet, um die Resonanzfrequenz des Längsvibrators zu reduzieren und nahe am grundlegenden Frequenzmodus der Biegeschale, was der modalen Kopplung förderlich ist, um Breitband -Betriebseigenschaften zu erreichen. Abbildung 3G ist ein verbessertes neues Design für den Anregungsvibrator des IV -Typs flextsionaler Wandler. Es handelt sich um einen IV -Typ flextsionaler Wandler, der vom Faltvibrator angetrieben wird. Diese Struktur in Kombination mit einem Gehäusematerial mit niedrigem Rigidität kann die Resonanzfrequenz effektiv verringern.

Abbildung 3 Biegerspannungswandler mit Säulenstruktur

Es ist auch als Flextsional -Wandler vom Kürbisstyp bekannt. Es wird der Kürbisentyp-Fahlesionalwandler untersucht, der von PZT und PZT+Terfenol-D angetrieben wird. Die Simulationsanalyse der emissions charakteristischen Parameter der gemeinsamen Anregung wird durchgeführt. Abbildung 4C ist ein konkave Röhrchen-Flex-Spannungs-Wandler, der durch Magnetostriktion-piezoelektrische Kombination angeregt wird. Im Design werden zwei Anregungselemente, Terfenol-D und PZT, verwendet, um einen zusammengesetzten Längsvibrator zu bilden. Abbildung 4D zeigt den konkavzylinder-Flextsional-Wandler. Es wird durch den multi-piezoelektrischen Stapel angeregt. Unter der Prämisse, dass die Hülle unverändert bleibt und das Gesamtvolumen des piezoelektrischen Keramikmaterials gleich ist. Der von einem dreifach piezoelektrischen Stapel angeregte Spannungswandler wurde entworfen und entwickelt.

Abbildung 4 rotierende Körperbiegespannungswandler mit langer Art

Flacher rotierender Körperbiegerspannungswandler. Diese Art von Wandler wird von einem radial expandierenden Vibrator angetrieben, um eine rotational symmetrische Biegeschwingungshülle zu treiben. Die vibrierende Hülle des Wandlers ist eine rotational symmetrische Struktur, im Allgemeinen ein Paar konvexer oder konkaver kugelförmiger Kappen (oder kugelförmige Kappen) oder sie besteht aus einer Scheibe usw., die von einem radial expandierenden Ring oder Disc-Vibrator, einschließlich v- Der geformte Flex-Spannungs-Wandler, der VI-verdrängte Flex-Spannungs-Wandler, der hier gefährdete Flex-Spannungs-Wandler usw., der hier mit einem Flytucer-Cymbal und der Fahler des Scheibenentyps mit kleiner Größe v-Type-Typ-Typ-Typ-Typ-Typen eingeführt wird. Abbildung 5A ist ein kleiner V-förmiger Flextsional-Wandler. Ein Paar Metallendkappen werden von einer piezoelektrischen Keramikscheibe angetrieben, die radial vibriert, um eine Biegeschwingung zu erzeugen. Abbildung 5B ist ein dischelliger Flextsional-Wandler, der PZT- im Design verwendet. 4 Der radial polarisierte piezoelektrische Keramikring treibt die gekrümmte Scheibe an. Die Scheibe ist in 16 gleiche Sektoren entlang des radialen Schlitzes unterteilt, um die Kopplung der lateralen Schwingung zu verringern. Die flüchtigen Wandler dieser beiden strukturellen Formen weisen die Eigenschaften einer geringen Resonanzfrequenz, einer kleinen geometrischen Größe und einer hohen elektroakustischen Effizienz auf.

Abbildung 5 rotierende Karosserie-Biegespannungswandler vom Flachtyp

1.2 Forschungsfortschritt von Hochfrequenz-Breitbandwandlern

Zusätzlich zum Erkennungsentfernung als wichtiger Indikator für Unterwasser akustische Geräte besteht eine andere Entwicklungsrichtung darin, die maximale Menge an Zielinformationen als Hauptzweck zu erhalten. Beispielsweise ist hochauflösendes Bild-Sonar, hochdatenbezogene Unterwasser-akustische Kommunikation usw. erforderlich, und das Arbeitsfrequenzband ist so breit wie möglich. Daher ist der Hochfrequenz-Breitbandunterwasser-Akustikwandler zu einer Schlüsselkomponente des Systems geworden, ähnlich wie die Optik. Die Linse des Bildgebungssystems ist gleich.

Abbildung 6a ist aHochfrequenz-Breitbandwandlermit piezoelektrischer Keramiksäule und passender Schicht. Das Verhältnis des piezoelektrischen Keramikabstands zur Keramikgröße und die Wirkung von Füllmaterialien auf die Bandbreite werden untersucht. Der in Abbildung 6B entwickelte Hochfrequenz -Breitbandtransducer für die Doppelanpassungsschicht verwendet piezoelektrische Keramiksäulen, um ein Array zu bilden, und fügt dann eine Doppelanpassungsschichtstruktur aus Metallschicht und Harzverbundmaterial hinzu, um eine hohe Frequenz -Breitband -Akustikemissionsleistung zu erzielen. Abbildung 6C zeigt den ausgelegten 1-1-3 piezoelektrischen Verbund-Hochfrequenz-Breitbandwandler, der aus 1-dimensionalen angeschlossenen piezoelektrischen Säulen und 1-dimensional angeschlossenen Metallsäulen besteht, die parallel in einer 3dimensionalen verbundenen Polymermatrix angeordnet sind. Das dreiphasige piezoelektrische Verbundmaterial wird gebildet, und der Hochfrequenz-Breitbandübertragungswandler wurde entwickelt. Abbildung 6D zeigt den entworfenen 1-3 piezoelektrischen Verbund-Hochfrequenz-Breitbandwandler, der den Kopplungseffekt des Dickenschwingungsmodus und des Quervibrationsmodus erster Ordnung verwendet, um die Breitband-Betriebseigenschaften zu realisieren. Abbildung 6E zeigt den entwickelten Hochfrequenz-Breitbandwandler mit piezoelektrischem Verbundstoff. Der piezoelektrische Verbundring wird erhalten, indem der piezoelektrische Keramikring radial geschnitten und Epoxidharz gegossen wird. Dann werden zwei piezoelektrische Verbundringe mit unterschiedlichen Wanddicken erhalten. Der zusammengesetzte Ring ist überlagert, um einen radial strahlenden zweiresonanten Wandler zu bilden.

Abbildung 6 Hochfrequenz-Breitbandwandler