Inovação tecnológica no desenvolvimento de transdutores acústicos subaquáticos (2)

Inovação tecnológica no desenvolvimento de transdutores acústicos subaquáticos (2)

liga de ferro, gálio (Galfenol) é um novo tipo de material magnetostritivo que surgiu nos últimos anos. A sua tensão é magnetostritivo entre o níquel e Terfenol-D, a 300 ppm (ppm é um microvariable, representando AL / L = 10- 6) acima, em comparação com Terfenol-D, que tem as vantagens de maior permeabilidade relativa (> 100), bem usinabilidade, a estabilidade a alta temperatura e elevada resistência à tracção. Uma vez que o material de liga de ferro-gálio tem bom desempenho de usinagem e uma elevada resistência mecânica, que pode ser utilizada para conceber e processar o alojamento do transdutor flextensionais. A Figura 2b é um exemplo de um transdutor flextensionais barril côncava com uma carcaça de liga de ferro-gálio pesquisa. otransdutor acústico subaquáticoé conduzido O vibrador é composto de elementos de 40mm Φ20mm × ferro-gálio e liga de neodímio-ferro-boro folhas de anes permanentes, e forma um circuito magnético fechado, com o escudo de radiação. Os resultados experimentais mostram que a resposta da corrente de emissão transdutor é 168.4dB (1750Hz frequência de ressonância), o que é melhor do que duralumínio do mesmo tamanho geométrico. O transdutor de habitação (1900Hz frequência ressonante) é melhorada em cerca de 5 dB, o que reflecte as vantagens de desenho da caixa activo.

Publicado em 2000, os resultados da excitação conjunta magnetostrictive-piezoelétrico banda larga transdutor longitudinal de pesquisa. O transdutor é accionado em conjunto longitudinal pela unidade de Terfenol-D e a pilha de PZT, que realiza a operação de banda larga de 1.8KHz e 3,5kHz dupla ressonância acoplamento pico. Características, a literatura também relatado que a disposição planar de alta potência 4 × 4 composto por este tipo de transdutor, o nível da fonte de som da matriz é superior a 225dB na faixa de frequências 1.5-6kHz.

Terfenol-D transdutor longitudinal de unidade multi-unidade, o autor engenhosamente projetou a unidade de acionamento, sua estrutura usa uma manga magnética permanente para aplicar um campo magnético de viés para separar o campo magnético estático do circuito magnético dinâmico, e o magnético dinâmico do ímã permanente Elementos com baixa permeabilidade são evitados na estrada, e o efeito de condução de energia de campo magnético é aumentado; é o diagrama físico da unidade de acionamento. 4 Essas unidades de acionamento são conectadas mecanicamente em série para formar uma substituição longitudinal de baixa frequência com a tampa frontal e a massa da cauda. O dispositivo de energia, o parafuso central é pré-estressado; A Fig. 3C é a imagem real do transdutor após a embalagem, a frequência ressonante do transdutor é 1.6KHz, e o nível de fonte de som é 177BB.

O design magnético do transdutor magnetostrictivo é muito importante. Butler tomou o transdutor fleptensional do barril côncavo como exemplo e comparou os efeitos de trabalho de seis esquemas de circuito magnético através da análise de elementos finitos. As estruturas de circuito magnético da Fig. 4A-F são respectivamente.Rodo de terra rara contínua, além de cobertura de extremidade e luva de ferro magnético de ferro puro, barra de terra rara contínua mais tampa de extremidade de acessório permeável de ferro puro, barra de terra rara contínua sem acessório permeável de ferro puro, combinação de vara de terra rara e peça de ímã permanente mais puro ferro permeável Cobertura e manga final de fixação, barra de terra rara e combinação de peça magnética permanente mais tampa de extremidade acessória permeável de ferro puro, vara de terra rara e combinação de peça de ímã permanente sem acessório magnético permeável de ferro puro, os efetivos coeficientes de acoplamento eletromecânicos são calculados como 0,33, 0,30 , 0,27, respectivamente, 0,23, 0,21 e 0,20, indicando que o coeficiente efetivo de acoplamento eletromecânico do vibrador de terra raro é alterado de uma vara de terra rara contínua para uma vara de terra rara combinada com uma folha de ímã permanente. As tampas e mangas puras de acessórios puros de ferro magnéticos têm um certo efeito sobre melhorar o desempenho de acoplamento eletromecânico do vibrador de terra raro, mas para materiais de condução com baixa permeabilidade relativa, como terfenol-d, a melhora é pequena, e a efetiva eletromecânica O coeficiente de acoplamento é determinado por 0,20 a 0,23 ou 0,27 a 0,33.

2. Uma nova geração de materiais piezoelétricos e seus transdutores

Até a primeira metade do século XX, todos os materiais piezoelétricos eram cristais únicos. O titanato de bário policristalino piezoelétrico de piezoelétrico foi descoberto pela primeira vez na década de 1950, seguido por Chumbo Zirconate Titanate (PZT) na década de 1960. O desempenho dessas cerâmicas piezoelétricas excede em muito o dos primeiros cristais únicos, e o PZT tornou-se desde então o principal material funcional dos transdutores acústicos subaquáticos.

Em meados da década de 1990, novo titanato de piezoelétrico de chumbo de chumbo de cristal único de piezoelétrico (PMN-PT) e titanato de chumbo de zinco niobato (PZN-PT) foram descobertos, estes dois materiais de cristal único piezoelétricos têm uma alta estirpe de saturação (mais de 1%), baixa perda e alto coeficiente de acoplamento piezoelétrico (maior que 0,9), mostrando as vantagens potenciais do aumento da potência e ampliando a faixa de frequência na direção do transdutor acústico subaquático. Nos últimos anos, o titanato de eletroginato de líder de líder de líder indium de indium niobate-lead (PIN-PMN-PT) e líder de manganês - chumbo de niobato-chumbo niobate-chumbo (MN: pin-pmn-pt) material de cristal único piezoelétrico , o que melhora ainda mais as características de trabalho sob condições altas de campo elétrico.

A aplicação de materiais de cristal único piezoelétrico, como PMN-PT no campo de acústica subaquática, iniciada a partir do design e desenvolvimento de transdutores longitudinais. Meyer e outros realizaram uma série de trabalhos de pesquisa, incluindo análise detalhada de transdutores longitudinais de pt-PT de 33 e 32 e 32 e um estudo comparativo com PZT-8. A Figura 5a é um transdutor longitudinal de 33-mode impulsionado por uma pilha de bolachas de 10 pzt-8, a Figura 5b é um transdutor longitudinal de 33-mode impulsionado por uma pilha de bolachas de 3 pmn-pt, e a Figura 5C é uma 4 PMN-PT Tiras longas formam uma \"boca \" - transdutor longitudinal de 32 modos. Os resultados mostram que quando o PMN-PT e o PZT-8 são usados ​​para fazer transdutores longitudinais com o mesmo nível de fonte de freqüência e de emissão e outros parâmetros, o cristal PMN-PT A duração da pilha é de apenas 30% de PZT-8, que mostra as vantagens técnicas de materiais de cristal único piezoelétricos para fazer pequenos transdutores; O modo 32 pode tornar os materiais de cristal único serem cortados de acordo com a melhor orientação de desempenho e, ao mesmo tempo, usar a combinação de tiras longas, ele pode evitar problemas técnicos, como crescentes bolachas de tamanho grande, melhorar a confiabilidade e a consistência do Transdutor, e tem vantagens óbvias para aplicações de array de sonar com média e alta frequência.

Cristal único desenvolveu umtransdutor de transmissão cilíndricacomposto por anéis incrustados. Cada anel é composto de 12 tiras em forma de cunha, e 9 anéis são montados firmemente na direção axial para formar um cilindro. O tamanho geométrico (φ20,3mm × 66mm) é significativamente menor do que o transdutor cerâmico piezoelétrico da mesma frequência, e realiza as características de trabalho de banda larga de mais de 2,5 oitava. Outro documento usa o cristal único PMN-PT para desenvolver um transdutor fleptensional barril côncavo. O vibrador de transmissão do transdutor é composto por uma pilha de 16 elementos × 48mm × 48mm × 48mm × 4.8mm e uma concha de vibração de liga de titânio. A resposta de tensão de emissão é melhorada em mais de 5dB em comparação com o mesmo transdutor de estrutura do material PZT-4.

A temperatura de transição de fase tetonal-tetonal da PMN-PT é relativamente baixa, o que limita sua faixa de aplicação em certa medida, especialmente para aplicações em condições de alta potência. O Titanato de Líder Decinate-Lídio Decum-Líder Decum-Lídio de Indium - Chumbo (PIN-PMN-PT) e Manganês dopado de cristal único (MN: PIN-PMN-PT) tornam a temperatura de transição de fase do relaxor, o aumento óbvio de cristal ferroelétrico e reduz muito o Fator de perda ao mesmo tempo: A temperatura da transição de fase é aumentada de 95 ° C a 125 ° C, o fator de perda é reduzido de 0,26 a 0,15, e o fator de perda é de apenas 1/2 da cerâmica piezoelétrica PZT-4 usual. Há também literatura usando estes dois novos cristais individuais de fórmula, PMN-PT e PZT-4 para fazer transdutores longitudinais e comparar suas características operacionais de alta potência, o que prova que o novo material de cristal único de fórmula é mais adequado para alta potência e condições de ciclo de serviço. O nível de origem de som do transdutor PMN-PT é 5DB mais alto que o do transdutor PMN-PT na frequência de ressonância. Em comparação com a cerâmica piezoelétrica PZT-4, o nível de fonte de som e a capacidade de energia na frequência de ressonância são basicamente equivalentes, e a largura de banda de trabalho aumentou em 1 vez, e o nível máximo de fonte de som fora da frequência de ressonância é aumentado em cerca de 6dB.

A pesquisa de aplicação do material de cristal único PMN-PT concentra-se principalmente no sistema de imagem ultra-sônica de alta frequência médica. Aqui é apenas um caso de pesquisa de aplicativos de transdutor hidro-acústico de pratos, usando o elemento PMN-PT de ×12,7mm × 1mm para conduzir 0,25 mm de titânio espessura A tampa de vibração de flexão de liga desenvolveu um transdutor de tensão de tamanho pequeno tipo prato, que Tem uma resposta de tensão de emissão de 6dB mais alta do que o transdutor acionado por PZT-4 com a mesma estrutura.

2. Inovação técnica da estrutura e tecnologia de transdutor acústico subaquático

⒈ Inovação técnica para melhorar as características do feixe

No sonar moderno, várias matrizes básicas são geralmente usadas para alcançar as características de feixe necessárias. No entanto, quando a abertura de instalação do transdutor é limitada e há requisitos especiais para as características do feixe, devem ser necessárias medidas técnicas para controlar as características do feixe do transdutor. As principais abordagens técnicas para melhoria incluem: aplicação de defletor, tecnologia de superposição modal usando dipolos e multipolas, etc. Esta seção seleciona alguns exemplos de pesquisa típicos, com foco na análise e resumo do uso de métodos de superposição modal para melhorar as características do feixe do transdutor Realizações técnicas.

⑴using o defletor para melhorar as características do feixe do transdutor

No sistema inicial do sonar, um transdutor independente foi geralmente usado. Quando a diretividade não pode atender aos requisitos, o reflexo do defletor é usado para controlar o feixe de transmissão, que inclui principalmente passar por um defletoriro plano, um defletor cilíndrico e um defletor esférico. Placa e cone defletor para mudar a diretividade de transdutores cilíndricos, transdutores de pistão, transdutores esféricos, etc., em certa medida atender às necessidades de controle de transmissão unidirecional, como mostrado na Figura 6, o uso de cones duplos o defletor reflexivo Ajusta a diretividade do transdutor toroidal magnetostrictivo e realiza a característica da radiação de feixe unilateral.

Há uma literatura que o transdutor fleptensional tipo 3KHz é colocado perto do foco do defletor refletor parabólico, de modo que o transdutor fleptensional tipo IV com sua própria não direcionalidade pode alcançar características de radiação unidirecional. O experimento obtém um ângulo de abertura de ângulo único de 83 °. Para o feixe, a diferença de resposta frontal e traseira é 21dB.

⑵ Transdutor direcional de combinação modal

Vários transdutores estruturais têm diferentes modos de vibração multi-encomenda. Transdutores ressonantes geralmente funcionam com base no modo de vibração de frequência fundamental. Diferentes modos de vibração corresponderão a seus métodos de excitação efetivos, portanto, uma combinação de métodos de excitação pode ser usada perceber a condução de superposição de múltiplos modos de vibração, de modo a atingir a finalidade de alterar as características do feixe de transmissão. Os principais modos que podem alterar as características do feixe do transdutor através da combinação incluem modo de monopole, modo de dipolo e modo quadrupole, etc. Estes modos básicos podem obter uma variedade de padrões de directividade através da combinação ponderada. Nesta seção, combinada com resultados específicos da literatura, uma breve análise e resumo da tecnologia de processamento e métodos de excitação de diferentes transdutores estruturais para alcançar a superposição modal são feitos.

O trabalho multi-modo de excitação geralmente adota o método de excitação de partição, como: tubo cerâmico piezoelétrico ou shell esférico, muitas vezes adota o método de eletrodo dividido, ver Figura 7A, B; polígono magnetostrictivo (Anel) Transdutor, adota a excitação de ponta independente o caminho.

Butler et al. Projetado e desenvolveu um\"transdutor modal\", ainda usando a ideia de design da excitação de partição, mas quebrando a limitação da divisão de componentes independentes, usando 8 vibradores longitudinais independentes de 1/4 para compartilhar a massa traseira, cada transdutor a radiação A superfície é uma superfície de arco cilíndrica perto de 45 °, e colocam coletivamente um transdutor emissor de emissão cilíndrico particionado e dirigido de forma independente. O tamanho geométrico do transdutor não é restrito pelas condições de processo dos elementos independentes, e a direção longitudinal da estrutura pré-testada é adotada ao mesmo tempo. O vibrador tem vantagens técnicas para o desenho de transdutores de transmissão direcionais de baixa frequência e de alta potência. A Figura 8 mostra as formas de vibração modal básicas do \"transdutor modal \". Transdutores modais baseados em cerâmica piezoelétrica PZT-8, cristal único PMN-PT e materiais magnetostrictivos gigantes terfenol-d foram projetados e desenvolvidos respectivamente. Obteve um feixe de transmissão direcional cardióide com um índice de diretividade de 6dB e uma diferença de 25dB na resposta frontal para trás.

É outro tipo de transdutor de emissão direcional de baixa frequência e de alta potência - um transdutor fleptensional excitado de zona. No projeto, a pilha piezoelétrica (ou vibrador magnetostrictivo) do transdutor de flexão-tensão é submetida à excitação da zona, utilizando a combinação de modos de monopole e dipolo é sobreposta a formar um feixe de emissão direcional cardióide. A Figura 9A é um transdutor fleptensional tipo de diretividade de 900 Hz, e a Figura 9B é um transdutor fleptensional tipo 3KHz.

A literatura estuda um transdutor cilíndrico multimodo de banda larga com uma placa de defletor (mostrada na Figura 10). Os eletrodos do tubo cilíndrico cerâmico piezoelétrico são igualmente divididos em dois grupos, e independentemente animados para obter um monopole (modo 0) e um dipolo (modo 1) e, em seguida, cooperar com o defletor para realizar a emissão direcional unilateral. O trabalho de pesquisa também usa a relação de fase entre os modos para projetar um amplificador de energia independente e circuito de ajuste, através da baixa frequência \"0 + 1 \" e a alta frequência \"0 + 1 \". -1 \"Controle de combinação modal realiza características de trabalho de banda larga. O transdutor adota 4 tubos redondos piezoelétricos 4 PZT-4 de φ38.2mm × φ31,8mm × 19mm na direção de altura, e o tamanho após a embalagem é φ48mm × 79mm. O defletor é Feita de dois pedaços de borracha de cortiça laminado para formar um semicírculo. A superfície cilíndrica tem uma espessura de 6 mm, e a resposta de tensão de emissão flutua por 6dB na faixa de frequência de 26-46kHz.

2. Inovação técnica para melhorar as características de frequência

Com a extensão multidirecional da direção do aplicativo da tecnologia acústica subaquática, a gama de freqüência de trabalho de sistemas ativos de sonar foi continuamente expandida. Entre eles, a frequência de trabalho de sonar de alta resolução foi aumentada para 106Hz, e a faixa de freqüência de trabalho de detecção de ultra-longa e sonar de comunicação é ainda menor. Abaixo de 100 Hz; Por outro lado, o desenvolvimento do processamento de informações do sonar exige que a faixa de freqüência de trabalho do transdutor seja o mais ampla possível. Portanto, transdutores de baixa frequência e transdutores de banda larga atraíram muita atenção no campo acústico subaquático nos últimos anos, e os resultados da pesquisa são bastante ricos. No entanto, ainda há muitos problemas teóricos e técnicos que não foram resolvidos bem. Este aspecto ainda será o ponto de pesquisa e o foco do desenvolvimento futuro. Esta seção seleciona o trabalho de pesquisa na direção de transdutores de baixa frequência e transdutores de banda larga, e analisa e resume-os. Idéias inovadoras e novas conquistas tecnológicas.

⑴ Design inovador de transdutor de baixa frequência

①Bendendo transdutor de baixa frequência de vibração

O primeiro problema técnico enfrentado pelo desenvolvimento de transdutores de baixa frequência é o tamanho geométrico. Geralmente, a frequência de trabalho de transdutores ressonantes é inversamente proporcional ao tamanho geométrico, isto é, menor a frequência do transdutor, maior o tamanho geométrico, como a conversão longitudinal de 500Hz. O comprimento do dispositivo de energia é de cerca de 3m. A vibração de flexão pode efetivamente reduzir o tamanho geométrico de transdutores de baixa frequência. Entre eles, os transdutores cujos dispositivos funcionais participam diretamente da vibração de flexão incluem principalmente transdutores de feixe de flexão, transdutores de disco de flexão, etc.

A Figura 11A mostra uma estrutura típica do flexão de três empilhadas. Uma peça de tiras cerâmicas piezoelétricas é colada na parte superior e inferior do feixe de flexão. Quando uma das tiras cerâmicas piezoelétricas se estende e os outros contratos quando excitados, o feixe de metal no meio produzirá vibração de flexão. Este tipo de conversão de energia O dispositivo precisa ser exposto à água de um lado para irradiar ondas sonoras, então geralmente vários feixes curvos são combinados para formar uma cavidade de ar, como mostrado na Figura 11b, cada superfície radiante vibra na fase.

Um princípio de funcionamento semelhante é chamado de transdutor de disco curvo com uma estrutura de disco, que também inclui uma estrutura de três camadas e laminadas. A Figura 11C mostra um transdutor de disco curvo compacto composto por um par de folhas laminadas duplas. (Bender). A análise do sistema Delany pesquisou as características operacionais de baixa frequência, de tamanho pequeno e de alta potência do Bender.

O desenvolvimento de transdutores de baixa frequência de vibração de flexão também inclui um novo transdutor toroidal de split de estrutura (mostrado na Figura 12). O transdutor toroidal dividido pode ser considerado como um transdutor de feixe de flexão especial. A estrutura original foi proposta por Harris em 1957. O feixe de anel composto foi composto de um anel cerâmico piezoelétrico interno e um anel de metal externo. A modelagem e análise do transdutor foi baseada no \"Tuning Fork Model \" mostrado na Figura 12b, e o elemento de condução foi ajustado a uma estrutura dividida. O transdutor de anel dividido pode ser projetado com tamanho maior, e a massa pode ser ajustada através da rigidez de distribuição de espessura para atingir a otimização das características de frequência e radiação operacional, conforme mostrado na Figura 12C.

② Transdutor de tensão

O conceito do transdutor fleptensional começou a partir da patente de Hayes em 1936. Depois que Toulis publicaram a patente do transdutor fleptensional do tipo IV em 1966, a pesquisa e a aplicação do transdutor fleptensional começaram a ser ativos, e tem havido mais da metade deles. longe. No século dedHistória do desenvolvimento, várias formas estruturais de transdutores fleptensionais nasceram, e seus princípios de trabalho e processos estruturais estão cheios de ideias de design inovadoras. Não podemos apresentá-los um por um na ordem cronológica de seu desenvolvimento, apenas os transdutores fleptensionais. A estrutura e os métodos de incentivo da empresa são divididos nas três categorias a seguir, que são brevemente analisadas e resumidas.

△ Transdutor de tensão de flexão com estrutura cilíndrica. Este tipo de transdutor é impulsionado por um vibrador telescópico longitudinal para traduzir a casca de vibração flexural, como mostrado na Figura 13. A casca vibratória do transdutor é uma estrutura de translação, isto é, uma superfície cilíndrica de várias formas, impulsionada por um ou mais Vibradores longitudinalmente telescópicos, A é o transdutor fleptensional tipo IV, B é o dispositivo de energia transdutor fleptensional tipo VII, C é um transdutor de tensão de flexão \"em forma de estrela\" impulsionado por uma pilha piezoelétrica ortogonal e um \"em forma de estrela\". transdutor de tensão de flexão impulsionada por um vibrador magnetostrictivo quadrilateral. Como este tipo de transdutor é fácil de projetar um vibrador de excitação particionado, o transdutor fleptensional direcional descrito acima geralmente escolhe este tipo de estrutura.

△ Transdutor de tensão de flexão com corpo giratório longo. Este tipo de transdutor é impulsionado por um vibrador telescópico longitudinal para conduzir uma concha de vibração de flexão rotacionalmente simétrica, conforme mostrado na Figura 14. A casca vibratória do transdutor é uma estrutura rotacionalmente simétrica, incluindo uma série de vigas de barril distribuídas ao longo da circunferência, que são geralmente acionados por um vibrador longitudinalmente telescópico. As figuras 14A e B são as formas convexas da estrutura do transdutor fleptensional do tipo I e estrutura côncava; Como mostrado na Figura 14C, o vibrador de excitação longitudinal do transdutor é alongado na direção axial para aumentar o volume do material funcional para se desenvolver em um transdutor fleptensional do tipo II; Como mostrado na Figura 14D, o shell de vibração flexural é projetado na forma de duas ou mais seções, é desenvolvido em um transdutor fleptensional tipo III. Ambos os transdutores fleptensionais do tipo II e tipo III têm estruturas côncavas correspondentes.

△ Transdutor de tensão de flexão com corpo rotativo plano. Este tipo de transdutor é impulsionado por um vibrador radialmente em expansão para conduzir uma casca de vibração de flexão rotacionalmente simétrica, conforme mostrado na Figura 15. A casca vibrante do transdutor é uma estrutura rotacionalmente simétrica, geralmente um par de coroas esféricas convexas ou côncavas (ou esféricas Coroas), impulsionadas por um anel de expansão radial ou vibrador de discos, a Figura 15A mostra o transdutor fleptensional do tipo V da unidade de anel, B é um transdutor flefertensional dirigido pela bolacha, C é um transdutor fleptensional tipo VI, D e E são pequenos Transdutores fleptensionais desenvolvidos com base na estrutura B o dispositivo é chamado de transdutor de pratos.

△ Transdutor de baixa frequência da estrutura da cavidade. O Ressonador de Helmholtz é a forma básica de transdutor acústico subaquático subaquático, como mostrado na Figura 16. A, B e C são as três estruturas básicas de ressonadores de Helmholtz, que usam excitação de tubo cerâmico piezoelétrico, excitação de disco de flexão e excitação de bola cerâmica piezoelétrica . Os ressonadores de Helmholtz geralmente têm uma banda estreita de freqüência de trabalho, e D é usado com base em b as superfícies duplas de trabalho do disco curvo excita as cavidades ressonantes de diferentes volumes para realizar a operação de dupla ressonância. A literatura estabeleceu um modelo de análise de ressonador mais completo de Helmholtz, e analisou a relação entre as características de trabalho e os parâmetros estruturais do Ressonador de 300Hz Helmholtz. Morozov et al. Projetado uma fonte de som de órgão de tubulação subaquática (mostrada na Figura 17). O design da Figura 17a percebe a ajuste de freqüência movendo a manga para alterar a impedância do sistema de ressonância. A frequência de ajuste varia de 225 a 325 Hz, e a eficiência é de até 80% ou mais, refletindo o sistema de alta Q (Fator de Qualidade) com características de alta eficiência; Figura 17B O design usa uma estrutura de tubo duplo com uma fonte de som esférica embutida para obter ressonância de dupla frequência. A ressonância de baixa frequência é uma ressonância da cavidade composta por uma manga de seção dupla. A ressonância de alta frequência é apenas a ressonância correspondente ao tubo de ressonância interna. A manga externa e o tubo de ressonância interna podem usar materiais metálicos de alumínio ou fibra de carbono não metálico.

⑵ Design inovador de transdutor de banda larga

Na história do desenvolvimento da tecnologia acústica subaquática, uma variedade de formas estruturais de transdutores acústicos subaquáticos foram produzidas, cada uma com características de trabalho determinadas por suas características estruturais. A fim de se adaptar às necessidades de engenharia das aplicações de banda larga, quase todos os transdutores estruturais enfrentam os problemas técnicos de design de banda larga e melhoria do processo. Entre eles, o transdutor longitudinal é uma das formas estruturais mais comuns de transdutores no campo deTransdutor de banda larga subaquática. Os resultados da pesquisa de design de banda larga e aplicação são bastante ricos. Os princípios técnicos do projeto de banda larga de outros transdutores estruturais são basicamente semelhantes. Esta seção concentra-se em uma série de novas idéias de design baseadas em transdutores longitudinais para obter características de banda larga.

① transdutor longitudinal de banda larga de banda

A aplicação da combinação de banda de frequência já começou no estágio inicial do desenvolvimento da tecnologia Sonar. O trabalho inicial foi visto na década de 1940. Três transdutores longitudinais magnetostrictivos com diferentes freqüências de ressonância foram usados ​​para conduzir uma placa radiante e seis transdutores em um arranjo escada. Conduzido por uma bobina de enrolamento comum (mostrada na Figura 18), as frequências de ressonância independentes do transdutor são respectivamente 21,5, 23 e 24.5khz, Q = 12 e Q = 4 após a combinação. Embora este método de combinação de banda de frequência não seja estritamente um transdutor de banda larga, ainda é amplamente utilizado no campo de acústica subaquática, especialmente em sistemas acústicos, como simulação de ruído e chamarizes acústicos. A combinação do dispositivo realiza características de emissão de banda larga.

② Transdutor longitudinal de banda larga de acoplamento modal

A tampa frontal do transdutor longitudinal é geralmente assumida para vibrar na maneira de um pistão na análise do modelo unidimensional, ou seja, ocorre uma vibração de flexão. Quando o chifre da superfície radiante do transdutor é relativamente amplo, deve ser acompanhado por vibração de flexão, o que é razoável usando o modo de vibração de flexão da tampa frontal para acoplá-lo efetivamente com o modo de vibração longitudinal, um transdutor longitudinal de banda larga pode ser projetado. A literatura estudou o efeito de acoplamento da vibração flexural e a vibração longitudinal do quadrado radiando a placa de cobertura, e projetou um transdutor de banda larga. Em outra literatura, um disco vibratório e de flexão é incorporado na tampa de radiação, e o disco de flexão é acoplado com o modo de vibração do transdutor longitudinal, e o transdutor de banda larga é projetado e desenvolvido como mostrado na Figura 19A. A pilha piezoelétrica do transdutor longitudinal pode ser projetada em vários grupos. Como mostrado na Figura 19B, é a estrutura básica do transdutor que usa o acoplamento modal de excitação dupla para obter a operação de banda larga. Butler é baseado na estrutura do transdutor longitudinal de excitação dupla. Desenvolvimento aprofundado, como o uso de excitação dupla híbrida magnetostrictiva e piezoelétrica para projetar um transdutor longitudinal de banda larga, e a tampa frontal para colar uma camada de correspondência de 1/4 de comprimento de onda e projetar um modo de ressonância de terceira ordem, acoplando longitudinal de alta banda Transdutor O dispositivo, conforme mostrado na Figura 19C, tem uma faixa de frequência de trabalho de 13 a 37kHz.

③Broadband transdutor longitudinal acoplado com cavidade líquida

O design típico do acoplamento entre o transdutor longitudinal e a cavidade líquida é o transdutor Janus-Helmholtz (mostrado na Figura 20). O transdutor longitudinal adota uma estrutura de radiação dupla, chamada Janus, com uma manga cilíndrica projetada para formar uma cavidade ressonante de Helmholtz entre as principais cabeças de irradiamento de Janus; O transdutor de ressonância da cavidade líquida geral tem uma estreita faixa de freqüência de trabalho. Na aplicação conjunta de Janus, a transmissão de banda larga pode ser realizada através do design otimizado de acoplamento modal.

Galso projetou dois transdutores Janus-Helmholtz, 300Hz e 160Hz, e estudou em profundidade o efeito de adicionar um tubo compatível na cavidade ressonante de Helmholtz nas características operacionais de banda larga do transdutor.

⒊ Inovação técnica para melhorar o poder do som emitido

A maneira direta de aumentar a potência sonora de um transdutor acústico subaquático é aumentar o volume do transdutor, aumentar o número e formar uma matriz fechada. O método mais eficaz é usar materiais funcionais de alta densidade de energia. Os capítulos anteriores explicaram a aplicação de materiais funcionais de densidade de alta energia. Esta seção concentra-se nas inovações técnicas na estrutura e no processo de transdutores de alta potência de pequeno volume.

Ao descrever as vantagens e desvantagens do pequeno tamanho e características de alta potência do transdutor, a figura volumétrica do mérito é geralmente usada para medir,

Fomv = wa / v / f0 / q ⑴

Fórmula ⑴ Define o fator de mérito de volume de um certo tipo de transdutor, onde: WA é a energia sonora (W), V é o volume do transdutor (M3), F0 é a frequência de ressonância (Hz), Q é o fator de qualidade , O fator de mérito de volume do dispositivo está intimamente relacionado à estrutura e materiais funcionais. Delany projetou e desenvolveu um transdutor de disco curvo compacto (Bender) e analisado sistematicamente e estudou as características de trabalho da operação de baixa frequência, pequena e alta potência do Bender.

Existem literaturas projetando o transdutor de flexão do tipo I (côncavo barril) em uma combinação mais compacta, que permite vários clusters transdutores em um volume limitado para maximizar o deslocamento de volume e alcançar grandes características de energia, como mostrado na Figura 21, O ápice de 6 transdutores fleptensionais do tipo I são agrupados para formar um transdutor fleptensional da estrela de seis pontas tridimensionais de seis pontas, que tem as características da estrutura compacta, baixa frequência, alta potência e ampla faixa de frequência: Freqüência de ressonância fundamental o transmissão A resposta de tensão em 1.15KHz é de 127dB, omnidirecional e a resposta de tensão de transmissão de 800Hz a 10kHz é maior que 120dB. O parâmetro FOMV não é dado na literatura, e espera-se que seja equivalente ou superior ao transdutor fleptensional \"em forma de estrelas.

O design e análise acima para a busca de tamanho pequeno e alta potência, basicamente, iniciam os limites elétricos e mecânicos, e consideram apenas a densidade de energia de materiais funcionais e o limite de vibração da estrutura. Quando o transdutor requer longo pulso ou operação contínua, a dissipação de calor e calor do transdutor será o maior problema em condições de alta potência. Neste momento, o limite térmico é o principal fator restringindo o poder supremo do transdutor. O limite térmico do transdutor é uma das importantes questões básicas que estão preocupadas em engenharia. Assim como os detalhes do processo do transdutor, não há muitos documentos de pesquisa divulgados publicamente. Há literaturas para modelar e analisar os problemas térmicos de transdutores de baixa frequência e de alta potência, e discutir os problemas de condução térmica de transdutores fleptensionais de Janus-Helmholtz e tipo IV. Quando o transdutor está trabalhando em águas rasas, especialmente baixa frequência e alta transmissão de energia, aumentando a potência sonora também será restrita pelo limite acústico do fator de cavitação. Sob este contexto, o método de aumentar o poder de um único transdutor não é mais eficaz. A matriz base também será restrita, para que haja apenas uma maneira de formar uma matriz base esparsa.

Portanto, ao projetar transdutores de baixa frequência e de alta potência, é necessário escolher racionalmente a forma estrutural e materiais de função de condução, levando em consideração fatores como limite elétrico, limite mecânico, limite térmico e limite acústico, e fazer análise geral e otimização abrangente. Há uma ótima relação entre o poder limite e o volume do transdutor. Pesquisa aprofundada sobre isso será uma das instruções técnicas de transdutores de baixa frequência e alta potência no futuro.

⒋ Inovação técnica para aumentar a resistência à pressão hidrostática

Atualmente, a comunidade acadêmica propôs idéias de desenvolvimento, como oceanos transparentes e oceanos informatizados. O objetivo é permitir que a tecnologia da informação subaquática cubra todos os cantos do oceano, incluindo regiões polares e trincheiras abissais. Portanto, eles apresentaram requisitos para o uso de transdutores acústicos subaquáticos em maior profundidade. Até desafiar a capacidade de trabalhar em mares profundos. A capacidade de resistência à pressão hidrostática do transdutor está intimamente relacionada à estrutura do transdutor, especialmente para transdutores de emissão de baixa frequência com baixa rigidez estrutural. Resolver a tecnologia de estrutura de resistência à pressão hidrostática tornou-se um tópico importante no campo de tecnologia de transdutores atual. Os atuais métodos e meios eficazes para resolver a profundidade de trabalho incluem principalmente o enchimento de fluido, enchimento de fluido de tubo compatível, suporte estrutural natural, compensação de cilindro de gás de alta pressão, compensação de airbags, etc., em profundidades de trabalho acima de 1000m, o único método técnico eficaz A tecnologia de enchimento de fluido, incluindo o tipo de transbordamento gratuito, usa diretamente a água do mar como o fluido de enchimento ou preenche algumas mídias de impedância de óleo para alcançar o equilíbrio de pressão auto-estática; Dentro de 1000m, o tubo de conformidade resistente à pressão pode ser usado na cavidade líquida ao mesmo tempo para melhorar a conformidade da cavidade líquida; No prazo de 200 m, o apoio natural da estrutura pode suportar a pressão hidrostática. Alguns transdutores com rigidez estrutural muito baixa (como transdutores de bobina em movimento) podem usar cilindros de ar de alta pressão para fornecer compensação de pressão. Geralmente, dentro de 100m, a compensação do airbag pode ser usada. O transdutor de estrutura de cavidade introduzido acima pode geralmente ser projetado como um modo de trabalho cheio de fluido para obter trabalho de águas profundas. Nesta seção, vários exemplos de estrutura de óleo são dadas.

Kendig.’s Trabalho de pesquisa publicado em 1965, aplicação combinada de 4 pzt-4 transdutores longitudinais de cerâmica piezoelétricos, preenchidos com óleo de silicone para proteger o vazio formado entre a casca de aço (incluindo a placa de borracha de transmissão de som) e o transdutor a cavidade é conectado com a câmara fluida traseira. A front-end de borracha permeável por som e a janela de borracha traseira estão em contato com a água do mar para obter o equilíbrio de pressão interna e externa. A largura de banda de trabalho do transdutor é de 30-50kHz, e o trabalho dentro da faixa de pressão hidrostática de 0-6.9MPA foi experimentalmente estudado. Característica, este método de saldo de pressão ainda é usado em muitos matrizes de sonar de águas profundas. A figura 22b mostra um transdutor toroidal de estouro gratuito com uma estrutura cheia de óleo. O anel cerâmico piezoelétrico é suspenso em uma manga de borracha de poliuretano, e o interior é preenchido com óleo de silicone para obter o equilíbrio de pressão com o mundo exterior. A manga de borracha de poliuretano é material de transmissão de som ideal, este tipo de transdutor tem características de trabalho semelhantes como a forma de revestimento de infusão direta de borracha de poliuretano. Para tubo redondo PZT-4Φ150mm.× φ.140mm.×50mm, a análise de simulação e experimento estudo de borracha de poliuretano na faixa de frequência de 5～10khz O material da manga é substituído por liga ou aço de titânio. Como resultado, a liga de titânio reduz a resposta de tensão de emissão por cerca de 6dB, e o aço reduz a resposta de tensão de emissão por cerca de 12dB.

3. Conclusão.

Olhando para a história do desenvolvimento de cem anos de tecnologia do transdutor, desde o nascimento do primeiro transdutor piezoelétrico até o desenvolvimento vigoroso da moderna tecnologia de transdutor, inovações tecnológicas em transdutores acústicos subaquáticos emergiram frequentemente. As principais metas da inovação e desenvolvimento da tecnologia do transdutor incluem: simplificar processos complexos, quebrando através de gargalos técnicos, reescrevendo os limites técnicos, melhorando o desempenho técnico abrangente, propondo novos conceitos e novos mecanismos, gerando e desenvolvendo novas instruções técnicas, e aprofundando e Teoria do sistema de disciplinas transdutores e assim por diante. Este artigo introduz alguns casos de pesquisa que refletem o design inovador e o artesanato requintado do transdutor dos aspectos da nova aplicação material, nova estrutura e tecnologia do transdutor, etc.