La innovación tecnológica en el desarrollo de transductores acústicos subacuáticos (2)

Innovación tecnológica en el desarrollo de transductores acústicos submarinos (2)

La aleación de hierro-galio (galfenol) es un nuevo tipo de material magnetostrictivo que ha surgido en los últimos años. Su tensión magnetostrictiva se encuentra entre níquel y terfenol-D, a 300 ppm (PPM es una microvariable, que representa ΔL / L = 10-6) anterior, en comparación con Terfenol-D, tiene las ventajas de una menor permeabilidad relativa (> 100), buena Maquinabilidad, estabilidad a alta temperatura y alta resistencia a la tracción. Debido a que el material de aleación de hierro-galio tiene un buen rendimiento de mecanizado y alta resistencia mecánica, se puede usar para diseñar y procesar la carcasa del transductor flextensional. La Figura 2B es un ejemplo de investigación de un transductor flextensional de barril cóncavo con una carcasa de aleación de hierro-galio. losTransductor acústico subacuáticoSe conduce el vibrador se compone de elementos de aleación de hierro-galio de φ20mm × 40 mm y hojas de imán permanentes de neodimio-hierro-boro, y forma un circuito magnético cerrado con la cubierta radiante. Los resultados experimentales muestran que la respuesta de la corriente de emisión del transductor es de 168.4db (frecuencia resonante 1750Hz), que es mejor que la duraluminosa del mismo tamaño geométrico. El transductor de la carcasa (frecuencia resonante 1900Hz) se mejora en casi 5DB, lo que refleja las ventajas del diseño de la carcasa activa.

Publicado en 2000, los resultados de la investigación del transductor longitudinal de banda ancha de excitación de la articulación de piezoeléctricos magnetostrictivos. El transductor longitudinal se acciona conjuntamente por la unidad Terfenol-D y la pila PZT, que realiza la operación de banda ancha de un acoplamiento máximo de doble resonancia de 1.8kHz y 3.5kHz. Características, la literatura también informó que la matriz plana de alta potencia de 4 × 4 compuesta por este tipo de transductor, el nivel de fuente de sonido de la matriz es mayor que 225dB en la banda de frecuencia de 1.5-6 kHz.

TERFENOL-D MULTI-unidades de transductor longitudinal, el autor diseñó ingeniosamente la unidad de accionamiento, su estructura utiliza un manguito magnético permanente para aplicar un campo magnético de sesgo para separar el campo magnético estático del circuito magnético dinámico, y el magnético dinámico del imán permanente. Se evitan los elementos con baja permeabilidad en la carretera, y se aumenta el efecto de conducción de energía del campo magnético; Es el diagrama físico de la unidad de accionamiento. 4 Dichas unidades de accionamiento están conectadas mecánicamente en serie para formar un reemplazo longitudinal de baja frecuencia con la cubierta frontal y la masa de la cola. El dispositivo de energía, el tornillo central se presta pretensado; HIGO. 3C es la imagen real del transductor después de el embalaje, la frecuencia resonante del transductor es 1.6kHz, y el nivel de fuente de sonido es de 177bb.

El diseño del circuito magnético del transductor magnetostrictivo es muy importante. Butler tomó el transductor flextensional de barril cóncavo como ejemplo y comparó los efectos de trabajo de seis esquemas de circuito magnético a través del análisis de elementos finitos. Las estructuras de circuito magnético de la FIG. 4A-F son respectivamente.Barra de tierra rara continua más la cubierta de extremo de accesorios permeables a la parrilla de hierro puro, la barra de la Tierra de la Tierra continua más la cubierta del extremo de accesorios permeable, la barra de tierra rara continua sin accesorio permeable a la hierro puro, la combinación de la varilla de la tierra rara y la pieza de imán permanente más permeable Cubierta final de fijación y manga, barra de tierras raras y combinación de pieza de imán permanente más la cubierta de extremo de accesorios permeable con hierro puro, una varilla de tierra rara y una combinación de pieza de imán permanente sin accesorio magnético permeable a hierro puro, los coeficientes de acoplamiento electromecánicos efectivos se calculan para ser 0.33, 0.30 , 0.27, respectivamente, 0.23, 0.21 y 0.20, que indican que el coeficiente de acoplamiento electromecánico efectivo del vibrador de la Tierra de raras se cambia de una varilla de tierra rara continua a una barra de tierra rara combinada con una lámina de imán permanente. Las tapas de extremo y las manguas de accesorios permeables magnéticos de hierro puro tienen un efecto determinado para mejorar el rendimiento de acoplamiento electromecánico del vibrador de la Tierra de la rara, pero para los materiales de conducción con una baja permeabilidad relativa, como Terfenol-D, la mejora es pequeña y la efectiva electromecánica. El coeficiente de acoplamiento se determina de 0.20 a 0.23 o 0.27 a 0.33.

2. Una nueva generación de materiales piezoeléctricos y sus transductores.

Hasta la primera mitad del siglo XX, todos los materiales piezoeléctricos eran cristales individuales. El titanato de bario de cerámica piezoeléctrico policristalino se descubrió por primera vez en la década de 1950, seguida de titanato de circonncia principal (PZT) en la década de 1960. El rendimiento de estas cerámicas piezoeléctricas supera con creces la de los cristales únicos tempranos, y PZT se ha convertido desde entonces el material funcional principal de los transductores acústicos submarinos.

A mediados de la década de 1990, se descubrió el nuevo titanato piezoeléctrico de plomo de niobato de magnesio (PMN-PT) y plomo, se descubrieron titanato de plomo niobato de zinc (PZN-PT), estos dos materiales de cristal simples piezoeléctricos que tiene una cepa de saturación muy alta (más del 1%), baja pérdida y alto coeficiente de acoplamiento piezoeléctrico (mayor que 0.9), que muestran las posibles ventajas de aumentar la potencia y ampliar la banda de frecuencia en la dirección del transductor acústico subacuático. En los últimos años, el titanato de plomo niobato de liderazgo de liderazgo ternario (PIN-PMN-PT) y plomo dopado por manganeso, titanato de plomo niobato de plomo niobate (MN: PIN-PMN-PT) Material de cristal Piezoeléctrico Piezoeléctrico , que mejora aún más las características de trabajo en condiciones de campo eléctrico altas.

La aplicación de materiales de cristal simples piezoeléctricos, como PMN-PT en el campo de la acústica subacuática, comenzó desde el diseño y el desarrollo de transductores longitudinales. Meyer y otros han llevado a cabo una serie de trabajos de investigación, incluido el análisis detallado de los transductores longitudinales PMN-PT Modo de 33 modelos y 32, y un estudio comparativo con PZT-8. La FIGURA 5A es un transductor longitudinal de 33 modelos impulsado por una pila de 10 obleas PZT-8, la Figura 5B es un transductor longitudinal de 33 modelos impulsado por una pila de 3 obleas PMN-PT, y la Figura 5C es un 4 PMN-PT el Las tiras largas forman un transductor longitudinal en forma de \"boca\" en forma. Los resultados muestran que cuando se usan PMN-PT y PZT-8 para hacer transductores longitudinales con la misma frecuencia y nivel de fuente de emisión y otros parámetros, el cristal PMN-PT, la longitud de la pila es de aproximadamente el 30% de PZT-8, que muestra Las ventajas técnicas de los materiales de cristal simples piezoeléctricos para hacer pequeños transductores; El modo 32 puede hacer que los materiales de cristal individuales sean cortados de acuerdo con la mejor orientación de rendimiento, y al mismo tiempo use la combinación de tiras largas, puede evitar problemas técnicos, como crecer obleas individuales de gran tamaño, mejorar la confiabilidad y la consistencia de la Transductor, y tiene ventajas obvias para aplicaciones de matriz de sondas de peso medio y alta frecuencia.

Un solo cristal ha desarrollado unTransductor de transmisión cilíndricoCompuesto por anillos incrustados. Cada anillo se compone de 12 tiras en forma de cuña, y 9 anillos están estrechamente ensamblados en la dirección axial para formar un cilindro. El tamaño geométrico (φ20.3mm × 66mm) es significativamente más pequeño que el transductor cerámico piezoeléctrico de la misma frecuencia, y se da cuenta de las características de trabajo de banda ancha de más de 2.5 octavas. Otro documento utiliza el cristal único PMN-PT para desarrollar un transductor flextensional de barril cóncavo. El vibrador de accionamiento del transductor se compone de una pila de 16 elementos polarizados axialmente polarizados φ28mm × 48mm × 4.8mm y una cubierta de vibración de aleación de titanio. La respuesta de voltaje de emisión se mejora en más de 5dB en comparación con el mismo transductor de estructura de material PZT-4.

La temperatura de transición de fase trigonal-tetragonal del cristal único PMN-PT es relativamente bajo, lo que limita su rango de aplicación en cierta medida, especialmente para aplicaciones en condiciones de alta potencia. El titanato de plomo niobato de plomo de liderazgo de ternario (PIN-PMN-PT) y cristal único de manganeso dopado (MN: PIN-PMN-PT) Hacen la temperatura de transición de fase del aumento obvio de cristal ferroeléctrico de la relajación y reduce enormemente el Factor de pérdida Al mismo tiempo: la temperatura de transición de fase se incrementa de 95 ° C a 125 ° C, el factor de pérdida se reduce de 0,26 a 0,15, y el factor de pérdida es solo 1/2 de la cerámica piezoeléctrica PZT-4 habituales. También hay literatura utilizando estos dos nuevos cristales de fórmula única, PMN-PT y PZT-4 para realizar transductores longitudinales y comparar sus características de operación de alta potencia, lo que demuestra que el nuevo material de cristal único de fórmulas es más adecuado para alta potencia y grande. Condiciones del ciclo de trabajo. El nivel de fuente de sonido del transductor PMN-PT es 5dB más alto que el del transductor PMN-PT en la frecuencia de resonancia. En comparación con la cerámica piezoeléctrica PZT-4, el nivel de fuente de sonido y la capacidad de alimentación a la frecuencia de resonancia son básicamente equivalentes, y el ancho de banda de trabajo aumentó en 1 tiempo, y el nivel máximo de fuente de sonido fuera de la frecuencia de resonancia aumenta aproximadamente 6dB.

La investigación de la aplicación del material de cristal único PMN-PT se centra principalmente en el sistema de imágenes de ultrasonidos medica de alta frecuencia. Aquí está solo un caso de investigación de aplicaciones de transductor hidroaccústica de címbal, usando el elemento φ12.7mm × 1 mm PMN-PT para conducir Titanium de 0.25 mm de espesor La tapa de vibración de flexión de la aleación ha desarrollado un transductor de tensión de doblado de tamaño pequeño tipo Cymbal, que tiene una respuesta de voltaje de emisión más alta de 6dB que el transductor impulsado por PZT-4 con la misma estructura.

2. Innovación técnica de la estructura y la tecnología de transductores acústicos submarinos.

⒈ Innovación técnica para mejorar las características del haz.

En el sonar moderno, se utilizan varias matrices básicas generalmente para lograr las características de haz requeridas. Sin embargo, cuando la abertura de instalación del transductor es limitada y hay requisitos especiales para las características del haz, deben tomarse medidas técnicas para controlar las características del transductor del transductor. Los principales enfoques técnicos para la mejora incluyen: Solicitud de deflector, tecnología de superposición modal usando dipoles y multipoles, etc. Esta sección selecciona algunos ejemplos de investigación típicos, centrándose en el análisis y resumen del uso de métodos de superposición modales para mejorar las características del transductor del transductor. Logros técnicos.

⑴Usando el deflector para mejorar las características del haz del transductor.

En el sistema de sonar temprano, generalmente se usaba un transductor independiente. Cuando la directividad no puede cumplir con los requisitos, la reflexión del deflector se usa para controlar el haz de transmisión, lo que incluye principalmente pasar a través de un deflector plano, un deflector cilíndrico y un deflector esférico. Placa y cono deflector para cambiar la directividad de los transductores cilíndricos, los transductores de pistón, los transductores esféricos, etc., en cierta medida, cumplen con las necesidades del control de haz de transmisión de una sola vía, como se muestra en la Figura 6, el uso de conos dobles el deflector reflectante. Ajusta la directividad del transductor toroidal magnetostrictivo y se da cuenta de la característica de radiación de haz de un solo lado.

Hay una literatura que el transductor flextensional de tipo IV de 3kHz se coloca cerca del enfoque del deflector de reflector parabólico, de modo que el transductor flextensional de tipo IV con su propia no direccional puede lograr características de radiación unidireccionales. El experimento obtiene un ángulo de apertura de un solo ángulo de 83 °. A la viga, la diferencia de respuesta delantera y trasera es 21DB.

Transductor direccional de combinación modal

Varios transductores estructurales tienen diferentes modos de vibración múltiple. Los transductores resonantes generalmente trabajan en función del modo de vibración de frecuencia fundamental. Los diferentes modos de vibración corresponderán a sus métodos de excitación efectivos, por lo que se puede usar una combinación de métodos de excitación. Realice la conducción de superposición de múltiples modos de vibración, para lograr el propósito de cambiar las características del haz de transmisión. Los modos principales que pueden cambiar las características del haz del transductor a través de la combinación incluyen el modo Monopole, el modo Dipolo y el modo cuadrupolo, etc. Estos modos básicos pueden lograr una variedad de patrones de directividad a través de la combinación ponderada. En esta sección, combinada con resultados específicos de la literatura, se realizan un breve análisis y un resumen de la tecnología de procesamiento y los métodos de excitación de diferentes transductores estructurales para lograr la superposición modal.

El trabajo de múltiples modelos de excitación generalmente adopta el método de excitación de la partición, como: tubo cerámico piezoeléctrico o sheme esférico a menudo adopta el método de electrodo dividido, consulte la Figura 7A, B; Polígono magnetostrictivo (Anillo) Transductor, adopta la excitación de borde independiente del camino.

Butler et al. Diseñado y desarrollado un \"transductor modal \", todavía usando la idea de diseño de la excitación de la partición, pero rompiendo la limitación de la división de componentes independientes, utilizando 8 vibradores longitudinales independientes 1/4 para compartir la masa de la cola, cada transductor el radiación La superficie es una superficie de arco cilíndrica cerca de 45 °, y encierran colectivamente un transductor de emisión cilíndrica particionada e impulsada independientemente. El tamaño geométrico del transductor no está restringido por las condiciones del proceso de los elementos independientes, y la dirección longitudinal de la estructura pretensada se adopta al mismo tiempo. El vibrador tiene ventajas técnicas para el diseño de transductores de transmisión direccional de baja frecuencia y de alta potencia. La Figura 8 muestra las formas de vibración modales básicas del\"transductor modal\". Los transductores modales basados ​​en la cerámica piezoeléctrica PZT-8, los materiales magnetostrictivos gigantes de cristal único PMN-PT y TERFENOL-D se han diseñado y desarrollado respectivamente. Ha obtenido un haz de transmisión direccional cardioide con un índice de directividad de 6dB y una diferencia de 25dB en la respuesta frontal a la parte posterior.

Es otro tipo de transductor de emisión direccional de baja frecuencia y de alta potencia, un transductor flextensional excitado de zona. En el diseño, la pila piezoeléctrica (o vibrador magnetostrictiva) del transductor de tensión de flexión se somete a la excitación de la zona, el uso de la combinación de monopole y los modos dipolo se superpone para formar un haz de emisión direccional cardioide. La Figura 9A es un transductor flextensional de tipo IV de directividad IV de 900Hz, y la Figura 9B es un transductor flextensional del tipo de directividad de 3 kHz.

La literatura estudia un transductor cilíndrico multimodo de banda ancha con una placa deflectora (que se muestra en la Figura 10). Los electrodos del tubo cilíndrico cerámico piezoeléctrico se dividen igualmente en dos grupos, y se emocionan independientemente de obtener un monopole (modo 0) y un dipolo (1 modo) y luego cooperan con el deflector para realizar la emisión direccional unilateral. El trabajo de investigación también utiliza la relación de fase entre los modos para diseñar un amplificador de potencia y un circuito de ajuste independiente, a través de la baja frecuencia\"0 + 1 \ 1\" y la alta frecuencia \"0 + 1 \". -1 \"Control de combinación modal realiza características de trabajo de banda ancha. El transductor adopta 4 tubos redondos piezoeléctricos PZT-4 de φ38.2mm × φ31.8mm × 19 mm en la dirección de altura, y el tamaño después del embalaje es φ48mm × 79mm. El deflector es Hecho de dos piezas de caucho de corcho laminado para formar un semicírculo. La superficie cilíndrica tiene un espesor de 6 mm, y la respuesta de voltaje de emisión fluctúa por 6dB en la banda de frecuencia de 26-46 kHz.

2. Innovación técnica para mejorar las características de frecuencia.

Con la extensión multidireccional de la dirección de la aplicación de la tecnología acústica subacuática, el rango de frecuencia de trabajo de los sistemas de sonar activos se ha ampliado continuamente. Entre ellos, la frecuencia de trabajo del sonar de imagen de alta resolución se ha incrementado a 106Hz, y la banda de frecuencia de trabajo de la detección de ultra larga distancia y el sonar de comunicación es aún más bajo. Por debajo de 100 Hz; Por otro lado, el desarrollo del procesamiento de información de sonar requiere que la banda de frecuencia de trabajo del transductor sea lo más amplia posible. Por lo tanto, los transductores de baja frecuencia y los transductores de banda ancha han atraído mucha atención en el campo acústico subacuático en los últimos años, y los resultados de la investigación son bastante ricos. Sin embargo, todavía hay muchos problemas teóricos y técnicos que no se han resuelto bien. Este aspecto seguirá siendo el punto de acceso de la investigación y el enfoque del desarrollo futuro. Esta sección selecciona el trabajo de investigación en la dirección de los transductores de baja frecuencia y los transductores de banda ancha, y los analizan y los resumen. Ideas innovadoras y nuevos logros tecnológicos.

⑴ Diseño innovador del transductor de baja frecuencia.

Transductor de baja frecuencia de vibración ①

El primer problema técnico que enfrenta el desarrollo de transductores 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, como la conversión longitudinal de 500Hz. La longitud del dispositivo de energía es de aproximadamente 3 m. La vibración de flexión puede reducir efectivamente el tamaño geométrico de los transductores de baja frecuencia. Entre ellos, los transductores cuyos dispositivos funcionales participan directamente en la vibración de flexión incluyen principalmente los transductores de haz de flexión, los transductores de disco de flexión, etc.

La Figura 11A muestra una estructura típica de haz de flexión de tres apiladas. Se pega un trozo de tiras cerámicas piezoeléctricas en la parte superior e inferior del haz de flexión. Cuando una de las tiras cerámicas piezoeléctricas se extiende y los otros contratos cuando se excitan, el haz de metal en el medio producirá la vibración de flexión. Este tipo de conversión de energía, el dispositivo debe estar expuesto al agua en un lado para irradiar las ondas de sonido, por lo general, se combinan varias vigas curvas para formar una cavidad de aire, como se muestra en la Figura 11b, cada superficie de radiación vibra en fase.

Un principio de funcionamiento similar se denomina transductor de disco curvo con una estructura de disco, que también incluye una estructura de tres capas y doble laminada. La Figura 11C muestra un transductor de disco curvo compacto compuesto por un par de hojas de doble laminado. (Juerga). El análisis del sistema de Delany se investigó las características de funcionamiento de baja frecuencia, de tamaño pequeño y de alta potencia de Bender.

El desarrollo de los transductores de baja frecuencia de vibración de flexión también incluye un nuevo transductor toroidal dividido en la estructura (que se muestra en la Figura 12). El transductor toroidal dividido se puede considerar como un transductor especial de haz de flexión. La estructura original fue propuesta por Harris en 1957. El haz de anillo compuesto se compuso de un anillo de cerámica piezoeléctrico interno y un anillo de metal exterior. El modelado y el análisis del transductor se basaron en el \"Modelo de horquilla de sintonización\" que se muestra en la Figura 12b, y el elemento de accionamiento se ajustó a una estructura dividida. El transductor de anillo dividido se puede diseñar con un tamaño más grande, y la masa puede ajustarse a través de la rigidez de la distribución del grosor para lograr la optimización de la frecuencia de operación y las características de radiación, como se muestra en la Figura 12C.

② Transductor de tensión

El concepto del transductor flextensional comenzó desde la patente de Hayes en 1936. Después de que Toulis publicó la patente del transductor flextensional de tipo IV en 1966, la investigación y la aplicación del transductor flextensional comenzó a estar activo, y ha habido más de la mitad de ellos. lejos. En el siglo dedHistorial de desarrollo, se han nacido varias formas estructurales de transductores flextensionales, y sus principios de trabajo y procesos estructurales están llenos de ideas de diseño innovadoras. No podemos presentarles uno por uno en el orden cronológico de su desarrollo, solo los transductores flextensionales. Los métodos de estructura e incentivo de la empresa se dividen en las siguientes tres categorías, que se analizan brevemente y se resumen.

△ 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, como se muestra en la Figura 13. La cubierta vibrante del transductor es una estructura de traslación, es decir, una superficie cilíndrica de varias formas, impulsada por uno o más. Los vibradores telescópicos longitudinalmente, A es Tipo IV Transductor flextensional, B es un dispositivo de energía transductor flextensional de tipo VII, C es un transductor de tensión de flexión \"en forma de estrella\" impulsada por una pila piezoeléctrica ortogonal y un \"en forma de estrella\" Transductor de tensión de flexión impulsada por un vibrador magnetostrictivo cuadrilátero. Dado que este tipo de transductor es fácil de diseñar un vibrador de excitación particionada, el transductor volextensional direccional descrito anteriormente generalmente elige este tipo de estructura.

△ Transductor de tensión de doblado con cuerpo giratorio largo. Este tipo de transductor es impulsado por un vibrador telescópico longitudinal para impulsar una cubierta de vibración de flexión simétrica de rotación, como se muestra en la Figura 14. La cubierta vibrante del transductor es una estructura de rotación simétrica, incluida una serie de vigas de barril distribuidas a lo largo de la circunferencia, que En general, son impulsados ​​por un vibrador telescópico longitudinalmente. Las Figuras 14A y B son las formas convexas de la estructura del transductor flextensional de tipo I y la estructura cóncava; Como se muestra en la Figura 14C, el vibrador de excitación longitudinal del transductor se alarga en la dirección axial para aumentar el volumen del material funcional para convertirse en un transductor flextensional de tipo II; Como se muestra en la Figura 14D, la cubierta de vibración de flexión está diseñada en forma de dos o más secciones, se desarrolla en un transductor flextensional de tipo III. Tipo II II y los transductores flextensionales de tipo III tienen estructuras cóncavas correspondientes.

△ Transductor de tensión de flexión con cuerpo giratorio plano. Este tipo de transductor está impulsado por un vibrador radialmente en expansión para impulsar una cubierta de vibración de flexión simétrica de rotación, como se muestra en la Figura 15. La cubierta vibrante del transductor es una estructura simétrica rotacional, generalmente un par de coronas esféricas convexas o cóncavas (o esféricas. coronas), impulsadas por un anillo o vibrador de disco radialmente en expansión, la Figura 15a muestra el transductor flexionario de tipo V de la unidad de anillo, B es un transductor flexionario de tipo V de obleas, C es un transductor flextensional de tipo VI, D y E son pequeños Los transductores flextensionales desarrollados sobre la base de la estructura B, el dispositivo se llama transductor de platillo.

△ Estructura de cavidad Transductor de baja frecuencia. El resonador de Helmholtz es la forma básica de la estructura de la cavidad transductor acústico subacuático, como se muestra en la Figura 16. A, B y C son las tres estructuras básicas de los resonadores de Helmholtz, que utilizan excitación de tubos de cerámica piezoeléctrica, excitación del disco de flexión y excitación de la bola de cerámica piezoeléctrica. . Los resonadores de Helmholtz generalmente tienen una banda de frecuencia de trabajo estrecha, y D se usa sobre la base de B las superficies de trabajo doble del disco curvo, excitan las cavidades resonantes de diferentes volúmenes para realizar la operación de doble resonancia. La literatura estableció un modelo más completo análisis Helmholtz resonador, y se analizó la relación entre las características de trabajo y parámetros estructurales del resonador Helmholtz 300Hz. Morozov et al. Diseñé una fuente de sonido de órgano de tubería subacuática (que se muestra en la Figura 17). El diseño de la Figura 17A realiza la afinación de la frecuencia moviendo el manguito para cambiar la impedancia del sistema de resonancia. La frecuencia de sintonización oscila entre 225 y 325 Hz, y la eficiencia es de hasta el 80% o más, lo que refleja el sistema High-Q (Factor de calidad) con características de alta eficiencia; Figura 17b El diseño utiliza una estructura de doble tubo con una fuente de sonido esférica incorporada para lograr una resonancia de doble frecuencia. La resonancia de baja frecuencia es una resonancia de cavidad compuesta por un manguito de doble sección. La resonancia de alta frecuencia sólo es la resonancia correspondiente al tubo de resonancia interior. El manguito exterior y el tubo de resonancia interno pueden usar materiales metálicos de fibra de carbono de aluminio o no metálicos.

⑵ Diseño innovador del transductor de banda ancha.

En la historia del desarrollo de la tecnología acústica submarina, se han producido una variedad de formas estructurales de transductores acústicos submarinos, cada uno con características de trabajo determinadas por sus características estructurales. Para adaptarse a las necesidades de ingeniería de las aplicaciones de banda ancha, casi todos los transductores estructurales se enfrentan a los problemas técnicos del diseño de banda ancha y la mejora del proceso. Entre ellos, el transductor longitudinal es una de las formas estructurales comunes la mayoría de los transductores en el campo deTransductor de banda ancha subacuática. Los resultados de la investigación del diseño y la aplicación de banda ancha son bastante ricos. Los principios técnicos del diseño de banda ancha de otros transductores estructurales son básicamente similares. Esta sección se centra en una serie de nuevas ideas de diseño basadas en transductores longitudinales para lograr características de banda ancha.

Transductor longitudinal de banda ancha de banda de banda

La aplicación de la combinación de banda de frecuencia ya comenzó en la etapa temprana del desarrollo de la tecnología de sonar. El trabajo temprano fue visto en la década de 1940. Se utilizaron tres transductores longitudinales magnetostrictivos con diferentes frecuencias de resonancia para impulsar una placa de radiación rectangular y seis transductores en un arreglo de escalera. Impulsado por una bobina de bobinado común (que se muestra en la Figura 18), las frecuencias de resonancia independientes del transductor son respectivamente 21.5, 23 y 24.5 kHz, Q = 12, y Q = 4 después de la combinación. Aunque este método de combinación de banda de frecuencia no es estrictamente un transductor de banda ancha, todavía se usa ampliamente en el campo de la acústica subacuática, especialmente en sistemas acústicos, como la simulación de ruido y los señuelos acústicos. La combinación del dispositivo realiza características de emisión de banda ultra ancha.

② Transductor longitudinal de banda ancha de acoplamiento modal

La cubierta frontal del transductor longitudinal generalmente se supone que vibra en la forma de un pistón en el análisis del modelo unidimensional, es decir, no se produce una vibración de flexión. Cuando el cuerno de la superficie radiante del transductor es relativamente ancho, debe ir acompañado de la vibración de flexión, lo cual es razonable utilizando el modo de vibración de flexión de la cubierta frontal para acoplarlo de manera efectiva con el modo de vibración longitudinal, un transductor longitudinal de banda ancha puede ser diseñado. La literatura ha estudiado el efecto de acoplamiento de la vibración de flexión y la vibración longitudinal de la placa de cubierta radiante cuadrada, y diseñó un transductor de banda ancha. En otra literatura, un disco de vibración y doblado está incrustado en la cubierta de radiación, y el disco de flexión se acopla con el modo de vibración del transductor longitudinal, y el transductor de banda ancha está diseñado y desarrollado como se muestra en la Figura 19a. La pila piezoeléctrica del transductor longitudinal se puede diseñar en varios grupos. Como se muestra en la Figura 19b, es la estructura básica del transductor que utiliza el acoplamiento modal de excitación dual para lograr una operación de banda ancha. El mayordomo se basa en la estructura del transductor longitudinal de doble excitación. Desarrollo en profundidad, como el uso de doble excitación híbrida magnetostrictiva y piezoeléctrica para diseñar un transductor longitudinal de banda ancha, y la cubierta frontal para pegar una capa de coincidencia de longitud de onda 1/4, y diseñar un modo de resonancia de tercer orden que acoplando longitudinal de banda ultra ancha Transductor El dispositivo, como se muestra en la Figura 19C, tiene una banda de frecuencia de trabajo de 13 a 37 kHz.

Transductor longitudinal de banda de banda acoplado con cavidad líquida

El diseño típico del acoplamiento entre el transductor longitudinal y la cavidad líquida es el transductor Janus-Helmholtz (que se muestra en la Figura 20). El transductor longitudinal adopta una estructura de radiación de doble extremo, llamada Janus, con un manguito cilíndrico diseñado para formar una cavidad resonante de Helmholtz entre las cabezas de radiación doble de Janus; El transductor resonante de la cavidad líquida general tiene una banda de frecuencia de trabajo estrecha. En la aplicación conjunta de Janus, la transmisión de banda ancha se puede realizar a través del diseño optimizado de acoplamiento modal.

Ball diseñó dos transductores de Janus-Helmholtz, 300Hz y 160Hz, y estudió en profundidad el efecto de agregar un tubo compatible en la cavidad resonante de Helmholtz en las características operativas de banda ancha del transductor.

⒊ Innovación técnica para mejorar el poder del sonido emitido.

La forma directa de aumentar la potencia de sonido de un transductor acústico subacuático es aumentar el volumen del transductor, aumentar el número y formar una matriz cubierta de cierre. El método más efectivo es utilizar materiales funcionales de alta densidad de alta energía. Los capítulos anteriores han explicado la aplicación de materiales funcionales de densidad de alta energía. Esta sección se centra en las innovaciones técnicas en la estructura y el proceso de transductores de alto potencia de volumen pequeño.

Al describir las ventajas y desventajas de los pequeños tamaños y las características de alta potencia del transductor, la figura de volumen del mérito se usa generalmente para medir, a saber,

FOMV = WA / V / F0 / Q ⑴

Fórmula ⑴ Define el factor de mérito de volumen de un cierto tipo de transductor, donde: WA es la potencia de sonido (W), V es el volumen del transductor (M3), F0 es la frecuencia de resonancia (Hz), Q es el factor de calidad El factor de mérito de volumen del dispositivo está estrechamente relacionado con la estructura y los materiales funcionales. Delany diseñó y desarrolló un transductor de disco curvo compacto (Bender), y analizó sistemáticamente y estudió las características de trabajo de la operación de baja frecuencia, de tamaño pequeño y de alta potencia de Bender.

Hay literaturas que diseñan la estructura cóncava Tipo I (tipo de barril cóncavo) Transductor de tensión de doblado en una combinación más compacta, que permite múltiples grupos de transductores en un volumen limitado para maximizar el desplazamiento de volumen y lograr características de potencia grandes, como se muestra en la Figura 21, la Los transductores flextensionales del ápice de 6 tipo I se agrupan para formar un transductor flextensional de\"tres dimensiones de seis dimensiones\", que tiene las características de la estructura compacta, la baja frecuencia, la alta potencia y la banda de frecuencia ancha: Frecuencia de resonancia fundamental de la transmisión La respuesta de voltaje en 1.15kHz es de 127dB, omnidireccional, y la respuesta de voltaje de transmisión de 800Hz a 10 kHz es mayor que 120dB. El parámetro FOMV no se administra en la literatura, y se espera que sea equivalente o superior a la \"Transductor flextensional\" en forma de estrella\".

El diseño y análisis anterior para la búsqueda del tamaño pequeño y la alta potencia comienzan básicamente a partir de los límites eléctricos y mecánicos, y solo consideran la densidad de energía de los materiales funcionales y el límite de vibración de la estructura. Cuando el transductor requiere un impulso largo o un funcionamiento continuo, la disipación de calor y calor del transductor será el mayor problema en condiciones de alta potencia. En este momento, el límite térmico es el factor principal que restringe la potencia definitiva del transductor. El límite térmico del transductor es uno de los problemas básicos importantes que se refiere a la ingeniería. Al igual que los detalles del proceso del transductor, no hay muchos documentos de investigación reportados públicamente. Hay literaturas para modelar y analizar los problemas térmicos de los transductores de baja frecuencia y de alta potencia, y discuten los problemas de conducción térmica de los transductores flextensionales de Janus-Helmholtz y Tipo IV. Cuando el transductor está trabajando en aguas poco profundas, especialmente la baja frecuencia y la transmisión de alta potencia, lo que aumenta la potencia de sonido también se restringirá por el límite acústico del factor de cavitación. Bajo este fondo, el método para aumentar el poder de un solo transductor ya no es efectivo. La matriz base también se restringirá, de modo que solo haya una forma de formar una matriz de base escasa.

Por lo tanto, al diseñar transductores de baja frecuencia y de alta potencia, es necesario elegir racionalmente la forma estructural y los materiales de la función de conducción, teniendo en cuenta los factores tales como el límite eléctrico, el límite mecánico, el límite térmico y el límite acústico, y realice el análisis general. y optimización integral. Hay una relación óptima entre la potencia de límite y el volumen del transductor. La investigación en profundidad sobre esto será una de las direcciones técnicas de los transductores de baja frecuencia y de alta potencia en el futuro.

⒋ Innovación técnológica para aumentar la resistencia a la presión hidrostática.

En la actualidad, la comunidad académica ha propuesto ideas de desarrollo, como los océanos transparentes y los océanos informatizados. El objetivo es permitir que la tecnología de la información submarina cubra todas las esquinas del océano, incluidas las regiones polares y las trincheras abisales. Por lo tanto, presentan los requisitos para el uso de transductores acústicos submarinos con mayor profundidad. Incluso desafiar la capacidad de trabajar en mares profundos. La capacidad de resistencia a la presión hidrostática del transductor está estrechamente relacionada con la estructura del transductor, especialmente para transductores de emisión de baja frecuencia con baja rigidez estructural. La solución de la estructura de resistencia a la presión hidrostática se ha convertido en un tema importante en el campo de la tecnología del transductor actual uno. Los métodos y medios efectivos actuales para resolver la profundidad de trabajo incluyen principalmente el llenado de fluido, el llenado de fluido de coincidencia de tubos compatibles, el soporte estructural natural, la compensación de cilindros de gas de alta presión, la compensación de la bolsa de aire, etc., a las profundidades de trabajo por encima de 1000 m, el único método técnico efectivo La tecnología de llenado de fluidos, incluido el tipo de desbordamiento gratuito, utiliza directamente el agua de mar como el fluido de llenado o llena algunos medios de impedancia de aceite para lograr un balance de presión autoadtrica; Dentro de 1000 m, el tubo de cumplimiento resistente a la presión se puede usar en la cavidad líquida al mismo tiempo para mejorar el cumplimiento de la cavidad líquida; Dentro de 200 m, el soporte natural de la estructura puede soportar la presión hidrostática. Algunos transductores con rigidez estructural muy baja (como los transductores de bobina móvil) pueden usar cilindros de aire de alta presión para proporcionar una compensación de presión. Generalmente, dentro de 100 m, se puede utilizar la compensación de airbag. El transductor de la estructura de la cavidad introducido anteriormente generalmente se puede diseñar como un modo de trabajo lleno de fluido para lograr un trabajo profundo. En esta sección, se dan varios ejemplos de aplicaciones de diseño de estructura lleno de aceite.

Kendig’s Trabajo de investigación publicado en 1965, la aplicación combinada de 4 transductores longitudinales de 4 PZT-4 piezoeléctricos, llenos de aceite de silicona para proteger el vacío formado entre la cubierta de acero (incluida la placa de goma de transmisión de sonido) y el transductor la cavidad es Conectado con la cámara de fluido trasero. El caucho permeable al sonido delantero y la ventana de goma de extremo trasero están en contacto con el agua de mar para lograr un balance de presión interno y externo. El ancho de banda de trabajo del transductor es de 30-50 kHz, y el trabajo dentro del rango de presión hidrostático de 0 a 6.9MPA ha sido estudiado experimentalmente. Característica, este método de balance de presión todavía se usa en muchas matrices de sonar de aguas profundas. La Figura 22B muestra un transductor toroidal de desbordamiento gratuito con una estructura llena de aceite. El anillo cerámico piezoeléctrico se suspende en un manguito de goma de poliuretano, y el interior se llena con aceite de silicona para lograr un balance de presión con el mundo exterior. El manguito de goma de poliuretano es un material de transmisión de sonido ideal, este tipo de transductor tiene características de trabajo similares como la forma de recubrimiento de infusión directa de caucho de poliuretano. Para PZT-4 TUBO ROJOΦ150 mm× φ140mm×50 mm, análisis de simulación y estudio de experimento de caucho de poliuretano en el rango de frecuencia de 5～10KHz El material de la manga se reemplaza con aleación de titanio o acero. Como resultado, la aleación de titanio reduce la respuesta de voltaje de emisión en aproximadamente 6dB, y el acero reduce la respuesta de voltaje de emisión en aproximadamente 12dB.

3. Conclusión

Mirando el historial de desarrollo de la tecnología de transductores de cien años, desde el nacimiento del primer transductor piezoeléctrico hasta el desarrollo vigoroso de la tecnología de transductor moderna, con frecuencia surgieron innovaciones tecnológicas en los transductores acústicos submarinos. Los principales objetivos de la innovación y el desarrollo de la tecnología de transductores incluyen: simplificar procesos complejos, rompiendo a través de cuellos de botella técnicos, reescribiendo los límites técnicos, mejorando el desempeño técnico integral, proponiendo nuevos conceptos y nuevos mecanismos, generando y desarrollando nuevas direcciones técnicas, y profundizando y perfeccionando el Teoría del sistema de disciplinas de transductores, etc. Este artículo introduce algunos casos de investigación que reflejan el diseño innovador y la exquisita artesanía del transductor de los aspectos de la nueva aplicación de material, la nueva estructura y tecnología del transductor, etc.