Investigación de progreso y desarrollo de oportunidades de tecnología de transductores acústicos submarinos.

Las ondas acústicas se consideran el único portador de información que puede viajar largas distancias en el océano. La investigación marítima, el desarrollo de recursos y las luchas militares marítimas son todas inseparables de la tecnología acústica subacuática. El desarrollo de la tecnología hidroacústica requiere varios tipos de transductores hidroacústicos para brindar apoyo, y la misión de los transductores hidroacústicos es transmitir y recibir ondas de sonido bajo el agua, por lo que los transductores hidroacústicos se conocen como los\"ojos y oídos de equipos hidroacústicos. El desarrollo de hidroacústico. Los transductores incluyen principalmente la aplicación de nuevos materiales, la adopción de nuevos procesos y el diseño de nuevas estructuras para lograr la mejora y el mejoramiento del desempeño técnico integral del transductor. La demanda urgente del campo de la tecnología hidroacústica es el desarrollo directo de Transductores hidroacústicos. Poder. Este artículo se centra en los resultados de la investigación doméstica de los transductores acústicos subacuáticos en los últimos 20 años, incluidos principalmente nuevos desarrollos en transductores de baja frecuencia, transductores de banda ancha de alta frecuencia, transductores de agua profunda y hidrófonos vectoriales. Basado en El análisis y el resumen, combinados con m. La estrategia y la situación del desarrollo de la tecnología marina del país, discuten brevemente los desafíos y las oportunidades de desarrollo que enfrentan la tecnología de transductores acústicos submarinos actuales.

losTransductor acústico subacuáticoes un tipo de sensor que realiza la conversión de sonido y otras formas de energía o información en el medio de agua; El transductor acústico subacuático es el equipo de front-end del sistema sonar, y también es la interacción entre el sistema de sonar y el medio de agua para intercambiar información. Ventana \". El campo de la investigación y el desarrollo de la tecnología de transductores acústicos submarinos implica la integración de múltiples disciplinas, y las disciplinas estrechamente relacionadas incluyen principalmente: física, ciencia de materiales, matemáticas, mecánica, electrónica, química, mecánica, etc., por lo que la Desarrollo de transductores acústicos submarinos Está estrechamente relacionado con los logros de otras disciplinas básicas, y al mismo tiempo está restringido por el desarrollo de diversas disciplinas relacionadas. A juzgar a partir de las décadas de la historia del desarrollo de los transductores hidroacústicos de mi país, la mayor motivación de desarrollo viene De los requisitos de la aplicación en el campo de la tecnología hidroacústica, pero hasta finales del siglo XX, el desarrollo de la tecnología de transductores hidroacústicos de mi país carecía de naturaleza general y sistemática.

1.1 Progreso de la investigación de los transductores de baja frecuencia.

En respuesta a las necesidades urgentes de la transmisión de información submarina de rango ultra de largo alcance y el desarrollo de la detección de submarinos ultraalíticos, los transductores de transmisión de baja frecuencia se han convertido en uno de los puntos calientes más preocupados en el campo de los transductores acústicos submarinos desde el siglo XXI. La banda de frecuencia de trabajo de detección y comunicación de ultra a largo plazo extranjero se ha reducido a aproximadamente 100 Hz. Los transductores de baja frecuencia implican muchos problemas teóricos y técnicos, que no se han resuelto bien en la actualidad, y este aspecto seguirá siendo el punto de acceso de la investigación y el foco de atención en el desarrollo futuro. Esta sección selecciona el trabajo de investigación de los transductores de baja frecuencia de vibración de flexión y los transductores de tensión de flexión, y resume los nuevos logros tecnológicos.

1.1.1 Transductor de baja frecuencia de vibración de flexión

El primer problema técnico que enfrenta el desarrollo de transductores submarinos de baja frecuencia es el tamaño geométrico. En general, la frecuencia de trabajo de los transductores resonantes es inversamente proporcional al tamaño geométrico. Es decir, cuanto menor sea la frecuencia del transductor, mayor será el tamaño geométrico. La vibración puede reducir efectivamente el tamaño geométrico de los transductores de baja frecuencia. Los nuevos diseños de transductores de vibración de baja frecuencia de baja frecuencia en China en los últimos 20 años incluyen principalmente transductores de haz curvado y transductores de disco curvados.

(1) Transductor de haz de flexión. Diseñe un transductor cilíndrico del transmisor de banda ancha de la banda ancha (Figura 1A). El diseño de la estructura combina las características de la frecuencia modal de vibración de baja flexión y el método de acoplamiento de vibración multimodal para ampliar la banda de frecuencia. Chai Yong et al. Se propone un transductor de anillo de acoplamiento de haz de tubo (Figura 1b). Al agregar una viga curvada al transductor en forma de anillo incrustado para formar una estructura de acoplamiento de haz de tubo, se incrementa el modo de trabajo efectivo. Utilice el acoplamiento de modo multi-modo para lograr características operativas de baja frecuencia y de banda ancha. La estructura de desbordamiento se adopta, y su capacidad para soportar la presión hidrostática ha sido verificada por la aplicación real de la norma sumergible de 3 000 m de profundo mar. Xu et al. propusieron dos esquemas de diseño paraTransductores cilíndricos de baja frecuencia.(Figura 1C y D), realizó una serie de simulaciones y dio las curvas de respuesta de emisiones impulsadas por los nuevos materiales magnetostrictivos terfenol-d y galfenol. Demuestra el potencial de la estructura del transductor para aplicaciones de frecuencia ultra baja.

(3) Transductor de disco doblado. El transductor de disco curvo incluye estructuras de tres pila, doble pila y así sucesivamente. La Figura 2A muestra un transductor de disco curvo compacto compuesto por un par de laminaciones dobles. El trabajo de investigación extranjero es relativamente maduro. Se realiza una investigación en profundidad sobre esta estructura básica del transductor de disco curvo. A partir de esta estructura básica, al diseñar la cámara líquida y mejorar el modo de accionamiento, se han producido algunos nuevos diseños]. La Figura 2B es un transductor de disco curvo accionado por un anillo de mosaico. El diseño de la Figura 2C utiliza transductores de disco curvos de diferentes tamaños para formar una matriz, y utiliza diferentes métodos de conducción para lograr una operación de banda ancha. La Figura 2D es un transductor de disco curvo con estructura de cavidad de desbordamiento. El tamaño de la cavidad líquida se ajusta adecuadamente en el diseño para cumplir con los requisitos de rendimiento acústico. Es un transductor de disco curvo accionado por galfenol, que utiliza una estructura similar a un transductor longitudinal para excitar la vibración de flexión de la frontal que irradia.

Figura 2 Nuevo diseño de transductor de baja frecuencia con disco curvo.

1.1.2 Transductor flextensional

El concepto del transductor flextensional comenzó desde la patente de Hayes en 1936. El modo de trabajo básico es que uno o más vibradores telescópicos impulsan la cubierta de vibración de flexión para generar radiación de sonido de baja frecuencia. La investigación y la aplicación de transductores flextensionales en mi país han estado activos desde finales del siglo XX. Los investigadores han diseñado transductores flextensionales con varias estructuras. De acuerdo con la estructura y el método de excitación, los transductores flextensionales se dividen en tres categorías. Este método de clasificación se utiliza aquí para introducir por separado.

(2) Transductor de tensión de flexión con estructura cilíndrica. Este tipo de transductor es accionado por un vibrador telescópico longitudinal para traducir la cubierta de vibración de flexión. La cubierta vibrante del transductor es una estructura de traslación, es decir, una cubierta cilíndrica de varias formas, que es impulsada por uno o más vibradores telescópicos longitudinales. Incluyendo el transductor flextensional de tipo IV y su estructura de deformación, TRANSDUCTOR FLEXTENSIONAL DE TIPO VII, transductor fluxtensional cuadrilátero, etc. La Figura 3A es una estructura típica de transductor flextensional de tipo IV. Se ha desarrollado el transductor flextensional de tipo IV impulsado por un material de PMNT de cristal único ferroeléctrico. Se desarrolló el transductor flextensional de tipo IV impulsado por el material magnetoestrictivo gigante de la Tierra de la rara Terfenol-D. La Figura 3B es el nuevo diseño del transductor flexionario de tipo VII, que es impulsado por el material magnetohumativo gigante de la Tierra Rara terfenol-d. El método de excitación está diseñado en la parte más amplia de la dimensión transversal, y un par de vibradores paralelos están diseñados para dar un aspecto en profundidad en este tipo de transductor. La serie de investigaciones incluyen análisis de diseño de pretensado, modelado teórico, análisis modal, investigación experimental, etc. La Figura 3C es un nuevo diseño mejorado del transductor flextensional de tipo IV, que es similar a la mejora del diseño del transductor flextensional de tipo I al tipo II Transductor flextensional, utilizando una estructura de cáscara elíptica con un eje largo alargado, el transductor está impulsado por el material de cristal ferroeléctrico relajado PMNT, que tiene mejores características de operación de banda ancha que el transductor flextensional de tipo IV general. La Figura 3D es el nuevo diseño más temprano para mejorar el transductor flextensional de tipo IV en China, el transductor flexionario de tipo de labio de peces, que utiliza una carcasa elíptica de altura variable y utiliza la unidad de terfenol de TERFENOL-D Súper Magnetostrictiva de la Tierra Rara, esta vibración en forma especial. Shell tiene un efecto de brazo de palanca y un efecto de doble amplificación altamente ponderado. En la actualidad, el transductor flextensal de labios de pescado Terfenol-D se ha sido serializado y diseñado en una estructura de doble cáscara para aumentar aún más la potencia de transmisión. La potencia de sonido máxima de un solo transductor puede alcanzar los 10,000 vatios, lo que la convierte en un transductor de transmisión de alta potencia de baja potencia de baja frecuencia, uno de los tipos básicos. La Figura 3E es un transductor flextensional cuadrilátero de excitación ortogonal, que adopta una mejora de diseño compacto, que puede agregar materiales más funcionales en un volumen limitado y mejorar el nivel de fuente de sonido de emisiones. La Figura 3F es otro nuevo diseño mejorado del transductor flextensional de tipo IV, similar a la mejora del diseño del transductor flextensional de tipo I al transductor flextensional de tipo III, que utiliza dos carcasas elípticas en serie a lo largo de la dirección de eje largo en su conjunto, un todo más largo. La pila piezoeléctrica se usa para excitar, de modo que la frecuencia de resonancia del vibrador longitudinal se reduce y se acerca al modo de frecuencia fundamental de la cubierta de flexión, que es propicio para el acoplamiento modal para lograr características operativas de banda ancha. La Figura 3G es un nuevo diseño mejorado para el vibrador de excitación del transductor flextensional de tipo IV. Es un transductor flextensional de tipo IV accionado por el vibrador plegable. Esta estructura combinada con un material de alojamiento de baja rigidez puede reducir efectivamente la frecuencia de resonancia.

Figura 3 Transductor de tensión de flexión con estructura de columna

También se conoce como el transductor flexionario de tipo de gourd. Se estudia el transductor flextensional de tipo de gourd accionado por PZT y PZT + TERFENOL-D. Se lleva a cabo el análisis de simulación de los parámetros característicos de emisión de la excitación articular. La Figura 4C es un transductor de tensión flexible de tubos cóncavos, excitada por la combinación de magnetostricción-piezoeléctrica. En el diseño, se utilizan dos elementos de excitación, terfenol-d y PZT, para formar un vibrador longitudinal compuesto. La Figura 4D muestra el transductor flextensal de cilindros cóncavos. Está emocionado por la pila de piezoeléctricos múltiples. Bajo la premisa de que la cáscara permanece sin cambios y el volumen total del material cerámico piezoeléctrico es el mismo, el análisis de diferentes números (1-4) impulsos de pila piezoeléctrica para el impacto en el rendimiento del transductor, un flexural de tubos cóncavos. El transductor de tensión excitado por una triple pila piezoeléctrica fue diseñada y desarrollada.

Figura 4 Transductor de tensión de doblado corporal de tipo largo

Transductor de tensión de flexión corporal de tipo plano. Este tipo de transductor está impulsado por un vibrador radialmente en expansión para impulsar una cubierta de vibración de flexión simétrica de rotación. La cubierta vibrante del transductor es una estructura simétrica rotacional, generalmente un par de tapas esféricas convexas o cóncavas (o tapas esféricas) o está compuesta por un disco, etc., impulsado por un anillo radialmente en expansión o vibrador de disco, incluyendo v- Transductor de tensión flexible en forma, transductor de tensión flexible en forma de VI, transductor de tensión flexible en forma de disco, etc., introducido aquí TRANSDUCTOR TRANSDUCTOR DE TRANSPRESIONAL DE TIENDO V PEQUEÑO PEQUEÑO Y TRANSDUCTOR FLEXTENSIONAL TIPO DE TIPO DE DISCO. La Figura 5A es un transductor flextensional en forma de V PEQUEÑO. Un par de tapas de extremo metálico se accionan por un disco cerámico piezoeléctrico que vibra radialmente para producir vibraciones de flexión; La FIGURA 5B es un transductor flexionario en forma de disco, que utiliza PZT- en el diseño. 4 El anillo cerámico piezoeléctrico radialmente polarizado impulsa el disco curvo. El disco se divide en 16 sectores iguales a lo largo de la hendidura radial para reducir el acoplamiento de la vibración lateral. Los transductores flextensionales de estas dos formas estructurales tienen las características de la baja frecuencia resonante, el tamaño geométrico pequeño y la alta eficiencia electroacústica.

Figura 5 Transductor de tensión de flexión corporal de tipo plano

1.2 Progreso de la investigación de los transductores de banda ancha de alta frecuencia

Además de la distancia de detección como un indicador importante del equipo acústico subacuático, otra dirección de desarrollo es obtener la cantidad máxima de información de destino como el propósito principal. Por ejemplo, la imagen de imagen de alta resolución, la comunicación acústica subacuática de alta resolución, etc. Requería una operación en modo de alta frecuencia, y la banda de frecuencia de trabajo es lo más amplia posible. Por lo tanto, el transductor acústico subacuático de banda ancha de alta frecuencia se ha convertido en un componente clave del sistema, similar a la óptica. La lente del sistema de imágenes es la misma.

Figura 6A es unTransductor de banda ancha de alta frecuenciaCon columna cerámica piezoeléctrica y capa a juego. Se estudia la proporción de espaciamiento cerámico piezoeléctrico al tamaño de cerámica y el efecto de los materiales de llenado en el ancho de banda. El transductor de banda ancha de alta frecuencia de alta frecuencia de la capa de alta frecuencia diseñada en la Figura 6b utiliza columnas de cerámica piezoeléctrica para formar una matriz y luego agrega una estructura de capa de doble coincidencia de la capa de metal y el material compuesto de resina para lograr un rendimiento de emisión acústica de banda ancha de alta frecuencia. La Figura 6C muestra el transductor de banda ancha de alta frecuencia de alta frecuencia de 1-1-3-3 diseñado, que consta de pilares piezoeléctricos conectados con 1 dimensión y pilares metálicos con conexión 1 dimensional dispuestos en paralelo en una matriz de polímero conectadas tridimensionales. Se forma el material compuesto piezoeléctrico trifásico, y se ha desarrollado el transductor de transmisión de banda ancha de alta frecuencia. La Figura 6D muestra el transductor de banda ancha de alta frecuencia de alta frecuencia de 1-3 piezoeléctrico diseñado, que utiliza el efecto de acoplamiento del modo de vibración del grosor y el modo de vibración transversal de primer orden para realizar las características operativas de banda ancha. La Figura 6E muestra el transductor de banda ancha de alta frecuencia piezoeléctricos de alta frecuencia. El anillo compuesto piezoeléctrico se obtiene al cortar radialmente el anillo de cerámica piezoeléctrico y vertiendo la resina epoxi. Luego, se obtienen dos anillos compuestos piezoeléctricos con diferentes espesores de pared. El anillo compuesto se superpone para formar un transductor de doble resonante radiante radiándose.

Figura 6 Transductor de banda ancha de alta frecuencia