Technologische Innovation bei der Entwicklung von akustischen Unterwasserwandlern (2)

Technologische Innovation bei der Entwicklung von akustischen Unterwasserwandlern (2)

Die Eisen-Gallium-Legierung (Galfenol) ist eine neue Art von magnetostriktivem Material, das in den letzten Jahren entstanden ist. Der magnetostriktive Stamm liegt zwischen Nickel und Terfenol-D bei 300 ppm (ppm ist eine mikrovariable, die ΔL/l = 10-6) oben im Vergleich zu Terfenol-D darstellt, die Vorteile einer höheren relativen Permeabilität (> 100), gut Bearbeitbarkeit, Hochtemperaturstabilität und hohe Zugfestigkeit. Da das Material der Eisengalliumlegierung eine gute Bearbeitungsleistung und eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, kann es zum Entwerfen und Verarbeiten des Flextsional-Wandlergehäuses verwendet werden. Abbildung 2B ist ein Forschungsbeispiel für einen konkaven Fass-Fahlesional-Wandler mit einem Eisen-Gallium-Legierungsgehäuse. DasUnterwasser akustischer Wandlerwird angetrieben. Der Vibrator besteht aus φ20mm × 40 mm Eisengalliumlegierelementen und dauerhaften Magnetenblättern von Neodym-Eisen-Bor-Boron und bildet einen geschlossenen Magnetkreis mit der Strahlungsschale. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Reaktion des Wandleremissionsstroms 168,4 dB (Resonanzfrequenz 1750 Hz) beträgt, was besser als Duralumin derselben geometrischen Größe ist. Der Wohnungswandler (Resonanzfrequenz 1900 Hz) wird durch nahezu 5 dB verbessert, was die Konstruktionsvorteile des aktiven Gehäuses widerspiegelt.

Die im Jahr 2000 veröffentlichten Forschungsergebnisse des magnetostriktiv-piezoelektrischen Gelenkanregung Breitband-Längswandler. Der Longitudinal-Wandler wird gemeinsam von der Terfenol-D-Einheit und dem PZT-Stack angetrieben, wodurch der Breitbandbetrieb von 1,8 kHz und 3,5 kHz Dual Resonance Peak-Kopplung realisiert wird. Eigenschaften, in der Literatur berichtete auch, dass das 4 × 4-Hochleistungs-planare Array, das aus dieser Art von Wandler besteht, der Schallquellenpegel des Arrays im 1,5-6-kHz-Frequenzband größer als 225 dB beträgt.

Terfenol-D Multi-Unit-Antriebs-Längswandler, der Autor, der die Antriebseinheit genial gestaltet hat. Seine Struktur verwendet eine permanente Magnethülse, um ein Bias-Magnetfeld aufzutragen, um das statische Magnetfeld vom dynamischen Magnetschaltkreis zu trennen, und der dynamische Magnetmagnet des permanenten Magnet Elemente mit geringer Permeabilität werden auf der Straße vermieden, und der Antriebseffekt der Magnetfeldergie wird erhöht. ist das physikalische Diagramm der Antriebseinheit. 4 Solche Antriebseinheiten sind in Reihe mechanisch angeschlossen, um einen niederfrequenten Längsschnitt-Ersatz durch die Frontabdeckung und die Schwanzmasse zu bilden. Das Energiesorte, die zentrale Schraube ist vorgedrückt; Fig. 3C ist das tatsächliche Bild des Wandlers nach der Verpackung, die Resonanzfrequenz des Wandlers beträgt 1,6 kHz und der Schallquellenpegel 177BB.

Das Magnetkreisdesign des magnetostriktiven Wandlers ist sehr wichtig. Butler nahm als Beispiel den konkaven Fassflxtsionalwandler und verglich die Arbeitseffekte von sechs Magnetschemata mit der Finite -Elemente -Analyse. Die Magnetschaltungsstrukturen von 4A-F sind jeweils.Kontinuierlicher Seltenerdstab plus reinem Eisenmagnetikum -Accessoire -Endabdeckung und Hülse, kontinuierlicher Seltenerdstangen sowie reinem Eisen -Durchlässigkeit -Accessoire -Endabdeckung, kontinuierlicher Seltenerdbalken ohne reines Eisen -durchlässiger Accessoire, Kombination aus seltenen Erdstab und permanentem Magnetstück plus reinem Eisen durchdringlich Bindungs ​​Endabdeckung und Hülse, Seltenerdstab und Permanentmagnet -Stück -Stück -Stück sowie rein eisenem magnetisch -durchlässiger Accessoire -Endabdeckung, Seltenerdstab und permanentem Magnetstückkombination ohne reinem Eisen -durchlässiger magnetisches Accessoire, die effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten werden mit 0,33, 0,30 berechnet. 0,30 berechnet , 0,27, 0,23, 0,21 und 0,20, was darauf hinweist, dass der effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient des Seltenerd -Vibrators von einer kontinuierlichen Seltenen erdstab zu einem Seltenerdstab in Kombination mit einem permanenten Magnetblech geändert wird. Die Endkappen und Ärmeln von reinem, magnetisch durchlässigen Accessoires haben einen gewissen Einfluss auf die Verbesserung der elektromechanischen Kopplungsleistung des Seltenerd-Vibrators Der Kopplungskoeffizient wird durch 0,20 bis 0,23 oder 0,27 bis 0,33 bestimmt.

2. Eine neue Generation von piezoelektrischen Materialien und ihren Wandlern

Bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts waren alle piezoelektrischen Materialien Einzelkristalle. In den 1950er Jahren wurde erstmals polykristalliner piezoelektrischer Keramik -Barium -Titanat entdeckt, gefolgt von Bleizirkonat -Titanat (PZT) in den 1960er Jahren. Die Leistung dieser piezoelektrischen Keramik übersteigt weit die der frühen Einzelkristalle, und PZT ist seitdem das Hauptfunktionsmaterial von Unterwasser akustischen Wandlern geworden.

Mitte der 1990er Jahre wurden neue piezoelektrische Single-Kristall-Blei-Magnesium-Niobat-Titanat (PMN-PT) und Bleizink-Niobat-Leit-Titanat (PZN-PT) entdeckt, diese beiden piezoelektrischen Einzelkristallmaterialien, die es sehr hochsättigte (mehr piezoelektrische Einkristallmaterialien) (mehr Piezoelektrikum als 1%), niedriger Verlust und hoher piezoelektrischer Kopplungskoeffizient (mehr als 0,9), was die potenziellen Vorteile der Erhöhung der Leistung und der Erweiterung des Frequenzbandes in Richtung des Unterwasserschichtwandlers zeigt. In den letzten Jahren hat das ternäre Blei-Indium-Niobat-Lead-Magnesium-Niobat-Lead-Titanat (Pin-PMN-PT) und Mangan-dotiertes Indium-Niobat-Lead-Magnesium-Niobat-LEAD-Titanat (Mn: Pin-PMN-Pt) piezoelektrisches Einkristallmaterial (Mn: Pin-PMN) , was die Arbeitseigenschaften unter hohen elektrischen Feldbedingungen weiter verbessert.

Die Anwendung von piezoelektrischen Einkristallmaterialien wie PMN-PT im Bereich der Unterwasserakustik begann mit dem Entwurf und der Entwicklung von Längsbetreutern. Meyer und andere haben eine Reihe von Forschungsarbeiten durchgeführt, darunter detaillierte Analysen von 33-Modus- und 32-Mode-PMN-PT-Längswandern und eine vergleichende Studie mit PZT-8. Abbildung 5A ist ein 33-Modus-Längswandler, der von einem Stapel von 10 PZT-8-Wafern angetrieben wird Lange Streifen bilden einen \"Mund \"-geformten 32-Modus-Längswandler. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stapellänge nur etwa 30% der PZT-8 beträgt, was sich zeigt die technischen Vorteile von piezoelektrischen Einzelkristallmaterialien, um kleine Wandler herzustellen; Der 32-Modus kann dazu führen, dass die einzelnen Kristallmaterialien nach der besten Leistungsorientierung geschnitten werden. Wandler und hat offensichtliche Vorteile für mittlere und hochfrequente leichte Sonar-Array-Anwendungen.

Einzelkristall hat a entwickeltZylindrischer Übertragungswandlerbestehend aus eingelegten Ringen. Jeder Ring besteht aus 12 keilförmigen Streifen, und 9 Ringe sind in axialer Richtung fest montiert, um einen Zylinder zu bilden. Die geometrische Größe (φ20,3 mm × 66 mm) ist signifikant kleiner als der piezoelektrische Keramikwandler derselben Frequenz und erkennt die Breitbandarbeitseigenschaften von mehr als 2,5 Oktave. Ein weiteres Dokument verwendet PMN-PT-Einzelkristall, um einen konkaven Fass-Fahlesional-Wandler zu entwickeln. Der Antriebsvibrator des Wandlers besteht aus einem Stapel von 16 axial polarisierten φ28mm × 10 mm × 4,8 mm Elementen und einer Vibrationsschale einer Titanlegierung. Die Emissionsspannungsantwort wird im Vergleich zu demselben Strukturwandler von PZT-4-Material um mehr als 5 dB verbessert.

Die trigonal-tetragonale Phasenübergangstemperatur von PMN-PT-Einzelkristall ist relativ niedrig, was den Anwendungsbereich in gewissem Maße einschränkt, insbesondere für Anwendungen unter Hochleistungsbedingungen. Das ternäre Blei-Indium-Niobat-Lead-Magnesium-Niobat-Lead-Titanat (Pin-PMN-PT) und Mangan-dotierte Einzelkristall (Mn: Pin-PMN-PT) macht die Phasenübergangstemperatur des ferroelektrischen Einkristalls der Phase und reduziert die stark Der Verlustfaktor Gleichzeitig: Die Phasenübergangstemperatur wird von 95 ° C auf 125 ° C erhöht, der Verlustfaktor wird von 0,26 auf 0,15 reduziert und der Verlustfaktor beträgt nur 1/2 der üblichen PZT-4-Piezoelektrik-Keramik. Es gibt auch Literatur, die diese beiden neuen Formel-Einkristalle PMN-PT und PZT-4 verwenden, um Längshandler herzustellen und ihre leistungsstarken Betriebseigenschaften zu vergleichen, was beweist, dass das neue Formel-Einzelkristallmaterial besser für Hochleistungen und Große geeignet ist Arbeitszyklusbedingungen. Der Schallquellenpegel des PMN-PT-Wandlers ist 5 dB höher als der des PMN-PT-Wandlers bei der Resonanzfrequenz. Im Vergleich zur PZT-4-Piezoelektrik-Keramik sind die Schallquellenpegel und die Leistungskapazität bei der Resonanzfrequenz im Grunde genommen äquivalent und die Arbeitsbandbreite stieg um 1 Zeit und der maximale Klangquellenniveau außerhalb der Resonanzfrequenz wird um etwa 6 dB erhöht.

Die Anwendungsforschung von PMN-PT-Einzelkristallmaterial konzentriert sich hauptsächlich auf medizinisches Hochfrequenz-Ultraschallbildgebungssystem. Hier ist nur ein Fall einer Anwendungsforschung von cymbalhydroakustischen Wandlern, wobei φ12.7mm × 1 mm PMN-PT-Element zum Antrieb von 0,25 mm dickem Titan der Legierungsbiege-Vibration CAP mit einer kleinen Biegerwandler vom Cymbal-Typ entwickelt wurde. hat eine 6dB höhere Emissionsspannungsreaktion als der PZT-4-angetriebene Wandler mit derselben Struktur.

2. Technische Innovation der Struktur und Technologie der Unterwasser akustischen Wandler

⒈technische Innovation zur Verbesserung der Strahlmerkmale

Im modernen Sonar werden in der Regel verschiedene grundlegende Arrays verwendet, um die erforderlichen Strahleigenschaften zu erreichen. Wenn die Installationsöffnung des Wandlers jedoch begrenzt ist und es besondere Anforderungen an die Strahleigenschaften gibt, müssen technische Maßnahmen ergriffen werden, um die Strahlmerkmale des Wandlers zu kontrollieren. Zu den wichtigsten technischen Ansätzen für die Verbesserung gehören: Schallanwendung, modale Überlagerungstechnologie unter Verwendung von Dipolen und Multipolen usw. In diesem Abschnitt werden einige typische Forschungsbeispiele ausgewählt, wobei der Schwerpunkt auf der Analyse und Zusammenfassung der Verwendung modaler Überlagerungsmethoden zur Verbesserung der Strahlmerkmale des Wandlers liegt Technische Erfolge.

⑴ ⑴ ⑴ ⑴ ⑴ ⑴ ⑴ the taye

Im frühen Sonarsystem wurde im Allgemeinen ein unabhängiger Wandler verwendet. Wenn die Direktivität die Anforderungen nicht erfüllen kann, wird das Spiegelbild der Schallwasser verwendet, um den Getriebestrahl zu kontrollieren, der hauptsächlich durch eine flache Schallwand, eine zylindrische Schale und eine kugelförmige Schallwand beinhaltet. Platte und Kegelleitfle Passt die Direktivität des magnetostriktiven toroidalen Wandlers an und realisiert das einseitige Strahlungsmerkmal.

Es gibt eine Literatur, in der der 3-kHz-Typ-IV-Fahler-Wandler in der Nähe des Fokus des Parabolreflektors platziert wird, sodass der Flextsional-Wandler vom Typ IV mit eigener Nichtabrichtung unidirektionale Strahlungseigenschaften erreichen kann. Das Experiment erhält einen einwinkeligen Öffnungswinkel von 83 °. Am Strahl beträgt der Vorder- und Rückenantwortunterschied 21 dB.

⑵ Modal -Kombination Richtungswandler

Verschiedene Strukturwandler haben unterschiedliche Schwingungsmodi mit mehreren Ordnung. Resonanz -Wandler funktionieren im Allgemeinen basierend auf dem grundlegenden Frequenzschwingungsmodus. Unterschiedliche Schwingungsmodi entsprechen ihren wirksamen Anregungsmethoden, sodass eine Kombination von Anregungsmethoden verwendet werden kann, um das Überlagerungs -Fahren mehrerer Schwingungsmodi zu realisieren, um den Zweck der Änderung der Eigenschaften des Sendestrahls zu erreichen. Die Hauptmodi, die die Strahleigenschaften des Wandlers durch die Kombination ändern können, umfassen den Monopolmodus, den Dipolmodus und den Quadrupolmodus usw. Diese grundlegenden Modi können durch gewichtete Kombination eine Vielzahl von Richtraummustern erzielen. In diesem Abschnitt werden in Kombination mit spezifischen Literaturergebnissen eine kurze Analyse und Zusammenfassung der Verarbeitungstechnologie- und Anregungsmethoden verschiedener struktureller Wandler zur Erreichung modaler Überlagerung durchgeführt.

Die Erregung von Multi-Mode-Arbeiten übernimmt im Allgemeinen die Verteilungsanregungsmethode, wie z. magnetostriktives Polygon (Ring) Wandler, nimmt die unabhängige Kantenanregung so an.

Butler et al. Entworfen und entwickelt einen \"modalen Wandler\", der noch die Entwurfsidee der Partitionsanregung verwendet, aber die Begrenzung der Teilung unabhängiger Komponenten durchbricht, wobei 8 unabhängige 1/4 Längsbibratoren verwendet werden, um die Schwanzmasse zu teilen, und jeweils der Transducer die Strahlung zu teilen Die Oberfläche ist eine zylindrische Bogenoberfläche nahe 45 °, und sie schließen gemeinsam einen partitionierten und unabhängig angetriebenen zylindrischen emittierenden Wandler ein. Die geometrische Größe des Wandlers wird nicht durch die Prozessbedingungen der unabhängigen Elemente eingeschränkt, und die Längsrichtung der vorgespannten Struktur wird gleichzeitig angewendet. Der Vibrator hat technische Vorteile für das Design von niederfrequenten und hochrangigen Richtungsübertragern. Abbildung 8 zeigt die grundlegenden modalen Schwingungsformen des \"modalen Wandlers\". Modale Wandler basierend auf PZT-8-Piezoelektrik-Keramik, PMN-PT-Einzelkristall- und Terfenol-D-riesigen magnetostriktiven Materialien wurden entworfen und entwickelt. Es hat einen Cardioid-Richtungsstrahl mit einem Direktivitätsindex von 6 dB und einer Differenz von 25 dB vor der Reaktion von vorne zu Back erhalten.

Es handelt sich um eine andere Art von niederfrequenter und hochleistungsfähiger Richtungsmissionswandler-ein von der Zone erregter Flextsional-Wandler. Im Design wird der piezoelektrische Stapel (oder magnetostriktive Vibrator) des Flexionsspannungswandlers einer Zonenanregung unter Verwendung der Kombination aus Monopol- und Dipolmodi unterzogen, um einen kardioidischen Richtungsstrahl zu bilden. Abbildung 9A ist ein 900Hz -Direktivitätstyp IV Flextsional Transducer, und Abbildung 9b ist ein 3KHz -Direktivitätstyp VII Flextsional Transducer.

Die Literatur untersucht einen breitband -multimodenzylindrischen Wandler mit einer Schallplatte (siehe Abbildung 10). Die Elektroden des piezoelektrischen Keramikzylindrikrohrs sind gleichermaßen in zwei Gruppen unterteilt und unabhängig voneinander angeregt, um einen Monopol (0 -Modus) und einen Dipol (1 -Modus) zu erhalten, und kooperieren dann mit der Lackierung, um die einseitige Richtemission zu realisieren. Die Forschungsarbeit verwendet auch die Phasenbeziehung zwischen den Modi, um einen unabhängigen Leistungsverstärker und den Stimmkreis durch die niedrige Frequenz \"0 + 1 \" und die Hochfrequenz \"0 + 1\" zu entwerfen. －1 \"Modal-Kombination realisiert Breitbandarbeitseigenschaften. Der Wandler nimmt 4 PZT-4 piezoelektrische Runde mit φ38,2 mm × φ31,8 mm × 19 mm in Höhe der Höhenrichtung an und die Größe nach Verpackung beträgt φ48 mm × 79 mm. Das Bable ist. Das Bable ist Aus zwei Kautschukstücken, die zu einem Halbkreis laminiert sind. Die zylindrische Oberfläche hat eine Dicke von 6 mm, und die Emissionsspannungsantwort schwankt im Frequenzband von 26-46 kHz um 6 dB.

2. Technische Innovation zur Verbesserung der Frequenzmerkmale

Mit der multidirektionalen Erweiterung der Anwendungsrichtung der Unterwasserakustik-Technologie wurde der Arbeitsfrequenzbereich der aktiven Sonarsysteme kontinuierlich erweitert. Unter ihnen wurde die Arbeitsfrequenz des hochauflösenden Bildsonars auf 106 Hz erhöht, und das Arbeitsfrequenzband der Erkennung von Ultra-Long-Distanz und Kommunikationssonar ist noch niedriger. Unter 100 Hz; Andererseits erfordert die Entwicklung der SONAR -Informationsverarbeitung, dass das Arbeitsfrequenzband des Wandlers so breit wie möglich ist. Daher haben niederfrequente Wandler und Breitbandwandler in den letzten Jahren im Unterwasser akustischen Bereich viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, und die Forschungsergebnisse sind sehr reich. Es gibt jedoch immer noch viele theoretische und technische Probleme, die nicht gut gelöst wurden. Dieser Aspekt wird immer noch der Forschungs -Hotspot und der Schwerpunkt der zukünftigen Entwicklung sein. Dieser Abschnitt wählt die Forschungsarbeiten in Richtung Niederfrequenzwandler und Breitbandwandler aus und analysiert und fasst sie zusammen. Innovative Ideen und neue technologische Errungenschaften.

⑴ Innovatives Design des Niederfrequenzwandlers

①bendierende Vibrations-Niederfrequenzwandlerin

Das erste technische Problem für die Entwicklung von Niederfrequenzwandlern ist die geometrische Größe. Im Allgemeinen ist die Arbeitsfrequenz von Resonanzwandlern umgekehrt proportional zur geometrischen Größe, dh desto geringer die Häufigkeit des Wandlers, desto größer ist die geometrische Größe, wie z. B. 500 -Hz -Längsumwandlung. Die Länge des Energiebereichs beträgt ca. 3 m. Biegevibrationen können die geometrische Größe von Niederfrequenzwandlern effektiv verringern. Unter ihnen sind Wandler, deren funktionelle Geräte direkt an Biegevibrationen beteiligt sind, hauptsächlich Biegestrahlwandler, Biegescheibenwandler usw.

Abbildung 11a zeigt eine typische Drei-Stapel-Biegestrahlstruktur. Ein Stück piezoelektrischer Keramikstreifen wird oben und unten des Biegestrahls geklebt. Wenn einer der piezoelektrischen Keramikstreifen und der andere Verträge, wenn er angeregt ist, erzeugt der Metallstrahl in der Mitte eine Biegevibration. Diese Art der Energieumwandlung Das Gerät muss auf einer Seite Wasser ausgesetzt sein, um Schallwellen auszustrahlen, sodass normalerweise mehrere gekrümmte Strahlen zu einem Lufthöhlen kombiniert werden, wie in Abbildung 11b gezeigt, jede strahlende Oberfläche in der Phase vibriert.

Ein ähnliches Arbeitsprinzip wird als gekrümmter Scheibenwandler mit einer Scheibenstruktur bezeichnet, die auch eine dreischichtige und doppellaminierte Struktur umfasst. Abbildung 11c zeigt einen kompakt gebogenen Scheibenwandler, der aus einem Paar doppelt laminierter Blätter besteht. (Bender). Die Delany-Systemanalyse untersuchte Benders niederfrequente, kleine und hohe Betriebseigenschaften.

Die Entwicklung von Niederfrequenzwandlern der Biegeschwingung umfasst auch einen neuen toroidalen Wandler mit Struktur-Split (siehe Abbildung 12). Der geteilte toroidale Wandler kann als spezieller Biegestrahlwandler betrachtet werden. Die ursprüngliche Struktur wurde 1957 von Harris vorgeschlagen. Der Verbundringstrahl bestand aus einem innere piezoelektrischen Keramikring und einem Außenmetallring. Die Modellierung und Analyse des Wandlers basierte auf dem in Abbildung 12b gezeigten \"Tuning -Fork -Modell\", und das Antriebselement wurde an eine Split -Struktur angepasst. Der Split-Ring-Wandler kann mit einer größeren Größe ausgelegt werden und die Masse kann durch die Dickverteilungsstiffness eingestellt werden, um die Optimierung der Betriebsfrequenz- und Strahlungseigenschaften zu erreichen, wie in Abbildung 12c gezeigt.

② Bending-Spannungs-Wandler

Das Konzept des Flextsional -Wandlers startete 1936 von Hayes Patent weit. Im Jahrhundert vondDie Evelopment -Geschichte, verschiedene strukturelle Formen von Fahlesionalwandern wurden geboren, und ihre Arbeitsprinzipien und strukturellen Prozesse sind voller innovativer Designideen. Wir können sie nicht nacheinander in die chronologische Reihenfolge ihrer Entwicklung einführen, sondern nur die flüchtigen Wandler. Die Struktur- und Incentive -Methoden des Unternehmens werden in die folgenden drei Kategorien unterteilt, die kurz analysiert und zusammengefasst werden.

△ Biegerspannungswandler mit zylindrischer Struktur. Diese Art von Wandler wird von einem longitudinalen teleskopischen Vibrator angetrieben, um die Biegeschwingungshülle zu übersetzen, wie in Abbildung 13 gezeigt. longitudinal teleskopische Vibratoren, A ist Typ IV Flextsional Transducer, B ist Typ VII Flextsional Transducer Energy Device, C ist ein \"sternförmig \" Biegerspannungswandler, der von einem orthogonalen piezoelektrischen Stapel und einem \"sternschalten\" \"\" angetrieben wird \" Biegespannungswandler von einem viereckigen magnetostriktiven Vibrator. Da diese Art von Wandler leicht zu einem partitionierten Anregungsvibrator entworfen werden kann, wählt der oben beschriebene richtungsgezogene Flextsionalwandler im Allgemeinen diese Art von Struktur.

△ Biegerspannungswandler mit langem rotierenden Körper. Diese Art von Wandler wird von einem longitudinalen teleskopischen Vibrator angetrieben, um eine rotational symmetrische Biegevibrationshülle zu antreiben, wie in Abbildung 14 gezeigt. werden im Allgemeinen von einem longitudinal teleskopischen Vibrator angetrieben. Die Figuren 14a und B sind die konvexen Formen der Fahle -Struktur vom Typ I -Fahlesion und konkave Struktur; Wie in Fig. 14C gezeigt, wird der Längsanregungsvibrator des Wandlers in axialer Richtung verlängert, um das Volumen des funktionellen Materials zu erhöhen, um sich zu einem Typ -II -Fahle -Wandler zu entwickeln. Wie in Abbildung 14d gezeigt, wird die Biegevibrationshülle in Form von zwei oder mehr Abschnitten ausgelegt, sie wird zu einem Flextsional -Wandler vom Typ III entwickelt. Sowohl Typ II- als auch Typ III -Fahlesionalwandler haben entsprechende konkave Strukturen.

△ Biegerspannungswandler mit flachem rotierenden Körper. Diese Art von Wandler wird von einem radial expandierenden Vibrator angetrieben, um eine rotational symmetrische Biegeschwingungshülle zu antreiben, wie in Abbildung 15 gezeigt. Die vibrierende Schale des Wandler Kronen), angetrieben von einem radial expandierenden Ring oder Scheibenvibrator, zeigt Abbildung 15a den Flextsional-Wandler vom Ringantrieb V-Typ, B ist ein Flextsional-Wandler vom Wafer-V-Typ, C ist ein Typ VI-Fahlesional-Transducer, D und E sind kleine, sind kleine Typen VI Fahlesionale Wandler, die auf der Grundlage der Struktur B entwickelt wurden. Das Gerät wird als Beckenwandler bezeichnet.

△ Hohlraumstruktur Niederfrequenzwandler. Helmholtz -Resonator ist die grundlegende Form der Hohlraumstruktur Unterwasser akustischer Wandler, wie in Abbildung 16 gezeigt. . Helmholtz -Resonatoren haben im Allgemeinen ein schmales Arbeitsfrequenzband, und D wird auf der Grundlage von B verwendet. Die doppelten Arbeitsoberflächen der gekrümmten Scheibe erregen die Resonanzhohlräume verschiedener Volumina, um den Doppelresonanzbetrieb zu realisieren. Die Literatur stellte ein vollständigeres Modell zur Analyse von Helmholtz -Resonator -Analyse fest und analysierte die Beziehung zwischen den Arbeitseigenschaften und den Strukturparametern des 300 -Hz -Helmholtz -Resonators. Morozov et al. entwarf eine Unterwasserrohr -Organ -Schallquelle (siehe Abbildung 17). Das Design von Abbildung 17A realisiert die Frequenzabstimmung, indem die Hülse bewegt wird, um die Impedanz des Resonanzsystems zu ändern. Die Stimmfrequenz reicht von 225 bis 325 Hz, und die Effizienz beträgt bis zu 80% oder mehr, was das High-Q-System (Qualitätsfaktor) mit hohen Effizienzeigenschaften widerspiegelt. Abbildung 17b Das Design verwendet eine Doppelrohrstruktur mit einer eingebauten kugelförmigen Schallquelle, um eine Doppelfrequenzresonanz zu erzielen. Die niederfrequente Resonanz ist eine Hohlraumresonanz, die aus einer Doppelabschnitthülle besteht. Die Hochfrequenzresonanz ist nur die Resonanz, die dem inneren Resonanzrohr entspricht. Die Außenhülse und das innere Resonanzrohr können metallische Aluminium- oder nicht-metallische Kohlefasermaterialien verwenden.

⑵ Innovatives Design des Breitbandwandlers

In der Geschichte der Entwicklung der Unterwasserakustik -Technologie wurden verschiedene strukturelle Formen von Unterwasser akustischen Wandlern erzeugt, die jeweils Arbeitseigenschaften durch seine strukturellen Eigenschaften bestimmt. Um sich an die technischen Bedürfnisse von Breitbandanwendungen anzupassen, steht fast jeder strukturelle Wandler mit den technischen Problemen der Breitbanddesign und der Prozessverbesserung konfrontiert. Unter ihnen ist der Longitudinalwandler eine der häufigsten strukturellen Formen von Wandlern im Bereich vonUnterwasser -Breitbandwandler. Die Forschungsergebnisse von Breitbanddesign und Anwendung sind sehr reich. Die technischen Prinzipien des Breitbanddesigns anderer struktureller Wandler sind im Grunde ähnlich. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf eine Reihe neuer Designideen, die auf Längsschnittschändern basieren, um Breitbandmerkmale zu erreichen.

① Bandkombination Breitband -Längsbetreuer

Die Anwendung der Frequenzbandkombination hat bereits in der frühen Phase der Entwicklung der Sonar -Technologie begonnen. Frühe Arbeiten wurden in den 1940er Jahren gesehen. Drei magnetostriktive Längswandler mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen wurden verwendet, um eine rechteckige Strahlungsplatte und sechs Wandler in einer Leiteranordnung zu treiben. Angetrieben von einer gemeinsamen Wicklungsspule (siehe Abbildung 18) sind die unabhängigen Resonanzfrequenzen des Wandlers jeweils 21,5, 23 und 24,5 kHz, q = 12 und q = 4 nach der Kombination. Obwohl diese Frequenzbandkombinationsmethode nicht ausschließlich ein Breitbandwandler ist, wird sie im Bereich der Unterwasserakustik immer noch weit verbreitet, insbesondere in akustischen Systemen wie Rauschsimulation und akustischen Ködern. Die Gerätekombination realisiert ultra-weite Bandemissionseigenschaften.

② Modalkopplungs -Breitband -Längswandler

Es wird normalerweise angenommen, dass die Frontabdeckung des Längswandlers in der Analyse des eindimensionalen Modells in der Art eines Kolbens vibriert, dh keine Biegevibration tritt auf. Wenn das Horn der strahlenden Oberfläche des Wandlers relativ breit ist, muss es durch Biegevibrationen einhergehen, was unter Verwendung des Biegevibrationsmodus der Frontabdeckung angemessen ist, um sie effektiv mit dem Längsvibrationsmodus zu koppeln entworfen. Die Literatur hat den Kopplungseffekt der Biegeschwingung und der Längsschwingung der quadratischen Abdeckplatte untersucht und einen Breitbandwandler entworfen. In einer anderen Literatur ist eine vibrierende und Biegescheibe in die Strahlungsabdeckung eingebettet, und die Biegescheibe ist mit dem Schwingungsmodus des Längswandlers gekoppelt, und der Breitbandwandler ist wie in Abbildung 19A gezeigt entworfen und entwickelt. Der piezoelektrische Stapel des Längswandlers kann in mehreren Gruppen ausgelegt werden. Wie in Abbildung 19b gezeigt, ist es die Grundstruktur des Wandlers, die eine doppelte Anregungmodalkopplung verwendet, um einen Breitbandbetrieb zu erzielen. Butler basiert auf der Struktur des doppelten Erregung Längsschnittschatzer. Eingehende Entwicklung, wie die Verwendung von magnetostriktiven und piezoelektrischen Hybrid-Doppelanregungen zum Design eines Breitband-Längswandler Wandler Das Gerät hat, wie in Abbildung 19C gezeigt, ein Arbeitsfrequenzband von 13 bis 37 kHz.

③Broadband -Längswandler mit Flüssigkeitshöhle gekoppelt

Das typische Design der Kopplung zwischen dem Längswandler und dem Flüssighöhlen ist der Janus-Helmholtz-Wandler (in Abbildung 20 gezeigt). Der Longitudinal-Wandler nimmt eine doppelte Strahlungsstruktur mit dem Namen Janus mit einer zylindrischen Hülle an, die eine Helmholtz-Resonanzhöhle zwischen Janus 'doppelten Strahlungsköpfen bilden soll. Der allgemeine Resonanzwandler des Flüssigkeitshohlraums verfügt über ein schmales Arbeitsfrequenzband. In Janus Joint Application kann die Breitbandübertragung durch optimiertes Design der modalen Kopplung realisiert werden.

Gall entwarf zwei Janus-Helmholtz-Wandler, 300 Hz und 160 Hz, und untersuchten ausführlich die Auswirkung der Zugabe eines konformen Röhrchens in der Helmholtz-Resonanzhöhle auf die Breitband-Betriebseigenschaften des Wandlers.

⒊technische Innovation zur Verbesserung der Kraft des emittierten Klangs

Der direkte Weg, um die Schallkraft eines Unterwasserschichtschwerers zu erhöhen, besteht darin, das Volumen des Wandlers zu erhöhen, die Anzahl zu erhöhen und eine eng gepackte Matrix zu bilden. Die effektivste Methode besteht darin, funktionale Materialien mit hochenergetischer Dichte zu verwenden. Die vorherigen Kapitel haben die Anwendung von funktionellen Materialien mit hochenergetischer Dichte erläutert. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die technischen Innovationen in der Struktur und im Prozess von kleinen Volumen-Hochleistungswandlern.

Bei der Beschreibung der Vor- und Nachteile der geringen Größe und der hohen Leistungsmerkmale des Wandlers wird die Volumenzahl des Verdienstes im Allgemeinen zur Messung verwendet, nämlich nämlich

Fomv = wa/v/f0/q ⑴

Formel ⑴ definiert den Volumen -Verdienstfaktor eines bestimmten Art von Wandler, wobei: wa die Schallkraft (W), V das Volumen des Wandlers (M3), F0 ist die Resonanzfrequenz (Hz), Q ist der Qualitätsfaktor Der Volumen -Verdienstfaktor des Geräts hängt eng mit der Struktur und den funktionellen Materialien zusammen. Delany entwarf und entwickelte einen kompakt gekrümmten Disc-Wandler (Bender) und analysierte und untersuchte systematisch die Arbeitseigenschaften des niederfrequenten, kleinen und hohen Leistungsbetriebs von Bender.

Es gibt Literaturen, die den konkaven Struktur Typ I (konkaven Lauftyp) Biegerspannungswandler in eine kompaktere Kombination entwerfen, die es mehreren Transducer-Clustern in einem begrenzten Volumen ermöglicht Apex von 6 Typ-I-Fahlesionalwandlern werden zusammengekluster Die Spannungsreaktion bei 1,15 kHz beträgt 127 dB, omnidirectional und die Senderspannungsreaktion von 800 Hz bis 10 kHz größer als 120 dB. Der FOMV-Parameter ist in der Literatur nicht angegeben, und es wird erwartet, dass es dem \"sternförmigen\" Flextsional-Wandler äquivalent oder höher ist.

Das obige Design und die obige Analyse für die Verfolgung kleiner Größe und hoher Leistung beginnen im Wesentlichen von den elektrischen und mechanischen Grenzen und berücksichtigen nur die Energiedichte von funktionellen Materialien und die Schwingungsgrenze der Struktur. Wenn der Wandler einen langen Impuls oder einen kontinuierlichen Betrieb benötigt, ist die Wärme- und Wärmeableitung des Wandlers unter hohen Leistungsbedingungen das größte Problem. Zu diesem Zeitpunkt ist die thermische Grenze der Hauptfaktor, der die endgültige Leistung des Wandlers einschränkt. Die thermische Grenze des Wandlers ist eines der wichtigsten grundlegenden Fragen, die sich im Ingenieurwesen befassen. Genau wie die Prozessdetails des Wandlers gibt es nicht viele öffentlich gemeldete Forschungsarbeiten. Es gibt Literaturen, um die thermischen Probleme von Niederfrequenz- und Hochleistungs-Wandlern zu modellieren und zu analysieren und die thermischen Leitungsprobleme von Janus-Helmholtz- und Typ-IV-Fahlesional-Wandlern zu diskutieren. Wenn der Wandler in flachem Wasser arbeitet, insbesondere in geringer Frequenz- und Hochleistungsübertragung, wird die Erhöhung der Schallkraft auch durch die akustische Grenze des Kavitationsfaktors eingeschränkt. Unter diesem Hintergrund ist die Methode zur Erhöhung der Leistung eines einzelnen Wandlers nicht mehr wirksam. Das Basisarray wird ebenfalls eingeschränkt, so dass es nur eine Möglichkeit gibt, ein spärliches Basisarray zu bilden.

Bei der Gestaltung von Wandlern mit niederer Frequenz- und Hochleistungs-Wandlern müssen daher die Materialien für die Strukturform und die Fahrfunktion rational ausgewählt werden, wobei Faktoren wie elektrische Grenze, mechanische Grenze, thermische Grenze und akustische Grenze berücksichtigt werden und die Gesamtanalyse durchführen und umfassende Optimierung. Es besteht eine optimale Beziehung zwischen der Grenzleistung und dem Volumen des Wandlers. Eingehende Untersuchungen dazu werden in Zukunft eine der technischen Richtungen von Niederfrequenz- und Hochleistungs-Wandlern sein.

⒋technologische Innovation zur Erhöhung der hydrostatischen Druckresistenz

Derzeit hat die akademische Gemeinschaft Entwicklungsideen wie transparente Ozeane und informatisierte Ozeane vorgeschlagen. Ziel ist es, die Unterwasserinformationstechnologie zu ermöglichen, alle Ecken des Ozeans, einschließlich polarer Regionen und Abgrundsa -Gräben, abzudecken. Daher stellen sie Anforderungen für die Verwendung von Unterwasser akustischen Wandlern intensiver. Fordern Sie sogar die Fähigkeit heraus, in tiefen See zu arbeiten. Die hydrostatische Druckwiderstandskapazität des Wandlers hängt eng mit der Struktur des Wandlers zusammen, insbesondere für niederfrequente Emissionswandler mit geringer Starrheit. Die Lösung der Technologie zur hydrostatischen Druckwiderstandstruktur ist zu einem wichtigen Thema im Bereich der aktuellen Wandlertechnologie geworden. Die derzeit wirksamen Methoden und Mittel zur Lösung der Arbeitstiefe umfassen hauptsächlich Flüssigkeitsfüllung, konforme Röhrchen-Matching-Flüssigkeitsfüllung, natürliche strukturelle Unterstützung, Hochdruckgaszylinderkompensation, Airbag-Kompensation usw. in Arbeitstiefen über 1000 m, der einzigen effektiven technischen Methode Ist die Fluidfüllungstechnologie, einschließlich des freien Überlauftyps, das Meerwasser als Füllflüssigkeit direkt verwendet oder einige Ölimpedanzmedien füllt, um eine selbststatische Druckbilanz zu erreichen. Innerhalb von 1000 m kann gleichzeitig das druckresistente Konformitätsrohr in der Flüssighöhle verwendet werden, um die Einhaltung der Flüssigkeitshöhle zu verbessern. Innerhalb von 200 m kann die natürliche Unterstützung der Struktur dem hydrostatischen Druck standhalten. Einige Wandler mit sehr geringer struktureller Starrheit (z. B. sich bewegende Spulenwandler) können Hochdruckluftzylinder verwenden, um eine Druckkompensation vorzunehmen. Im Allgemeinen kann innerhalb von 100 m Airbag -Kompensation verwendet werden. Der oben eingeführte Wechsel der Hohlraumstruktur kann im Allgemeinen als fließend gefüllter Arbeitsmodus ausgelegt werden, um Tiefwasserarbeiten zu erreichen. In diesem Abschnitt werden mehrere Anwendungsbeispiele für das Design von Öl gefüllt.

Kendig’s 1965 veröffentlichte Forschungsarbeiten, kombinierte Anwendung von 4 PZT-4 piezoelektrischen Keramik-Scheibenbetriebenen Längswandlern, gefüllt mit Silikonöl zum Schutz der zwischen der Stahlhülle gebildeten Hohlraum mit der hinteren Flüssigkeitskammer verbunden. Das vordere schalldurchlässige Kautschuk und das hintere Gummifenster sind mit Meerwasser in Kontakt, um eine interne und externe Druckbilanz zu erreichen. Die Arbeitsbandbreite des Wandlers beträgt 30-50 kHz, und die Arbeiten im hydrostatischen Druckbereich von 0 bis 6,9 MPa wurden experimentell untersucht. Charakteristisch, diese Druckausgleichsmethode wird in vielen Tiefwasser-Sonararrays immer noch verwendet. Abbildung 22b zeigt einen freien Überlauf-toroidalen Wandler mit einer ölgefüllten Struktur. Der piezoelektrische Keramikring ist in einer Polyurethan -Gummihülle aufgehängt, und das Innere ist mit Silikonöl gefüllt, um die Druckausgleich mit der Außenwelt zu erreichen. Die Polyurethan-Gummihülle ist ein ideales Klangübertragungsmaterial. Diese Art von Wandler hat ähnliche Arbeitseigenschaften wie die direkte Infusionsbeschichtungsform von Polyurethankautschuk. Für PZT-4 RundrohrΦ150 mm× φ140 mm×50 mm, die Simulationsanalyse- und Experiment -Untersuchung von Polyurethankautschuk im Frequenzbereich von 5～10 kHz Das Material der Hülse wird durch Titanlegierung oder Stahl ersetzt. Infolgedessen reduziert die Titanlegierung die Emissionsspannungsreaktion um etwa 6 dB und der Stahl die Emissionsspannungsreaktion um etwa 12 dB reduziert.

3. Schlussfolgerung

Unter Betrachtung der hundertjährigen Entwicklungsgeschichte der Wandlertechnologie von der Geburt des ersten piezoelektrischen Wandlers bis zur kräftigen Entwicklung der modernen Wandlertechnologie sind technologische Innovationen bei akustischen Unterwasser-Wandlern häufig entstanden. Die Hauptziele der Innovation und Entwicklung der Transducer -Technologie sind: Vereinfachung komplexer Prozesse, Durchbruch von technischen Engpässen, Umschreiben von technischen Grenzen, Verbesserung der umfassenden technischen Leistung, Vorschlag neuer Konzepte und neuer Mechanismen, Erzeugen und Entwicklung neuer technischer Richtungen und Vertiefung und Perfektionierung der Theorie des Transducer Disziplinen Systems und so weiter. In diesem Artikel werden einige Forschungsfälle eingeführt, die das innovative Design und die exquisite Handwerkskunst des Wandlers aus den Aspekten der neuen Materialanwendung, der neuen Wandlerstruktur und -technologie usw. widerspiegeln.