Progresso de pesquisa e desenvolvimento de oportunidades de tecnologia de transdutor acústico subaquático

As ondas acústicas são consideradas a única operadora de informações que podem viajar longas distâncias no oceano. Pesquisa marinha, desenvolvimento de recursos e lutas militares marítimas são inseparáveis ​​da tecnologia acústica subaquática. O desenvolvimento da tecnologia hidroacústica requer vários tipos de transdutores hidroacústicos para fornecer apoio, e a missão de transdutores hidroacústicos é transmitir e receber ondas sonoras subaquáticas, então transdutores hidroacústicos são conhecidos como \"olhos e ouvidos de equipamentos hidroacústicos. O desenvolvimento de Os transdutores inclui principalmente a aplicação de novos materiais, a adoção de novos processos, e o desenho de novas estruturas para alcançar a melhoria e aprimoramento do desempenho técnico abrangente do transdutor. A demanda urgente do campo da tecnologia hidroacústica é o desenvolvimento direto de transdutores hidroacústicos. Poder. Este artigo enfoca os resultados de pesquisa doméstica de transdutores acústicos subaquáticos nos últimos 20 anos, principalmente incluindo novos desenvolvimentos em transdutores de baixa frequência, transdutores de banda larga de alta frequência, transdutores de águas profundas e hidrofones de vetor. a análise e resumo, combinado com m Estratégia e situação de desenvolvimento de tecnologia marinha do país, discutem brevemente os desafios e oportunidades de desenvolvimento enfrentados pela atual tecnologia de transdutor acústico subaquático.

otransdutor acústico subaquáticoé um tipo de sensor que realiza a conversão de som e outras formas de energia ou informação no meio de água; O transdutor acústico subaquático é o equipamento front-end do sistema sonar, e é também a interação entre o sistema sonar e o meio de água para trocar informações. janela \". O campo da pesquisa e desenvolvimento da tecnologia de transdutor acústico subaquático envolve a integração de múltiplas disciplinas, e as disciplinas intimamente relacionadas incluem principalmente: física, ciência de materiais, matemática, mecânica, eletrônica, química, mecânica, etc., Desenvolvimento de transdutores acústicos subaquáticos Estreitamente relacionado com as realizações de outras disciplinas básicas, e ao mesmo tempo é restringido pelo desenvolvimento de várias disciplinas relacionadas. A julgar pelas décadas da história do desenvolvimento dos transdutores hidroacústicos do meu país, a maior motivação de desenvolvimento A partir dos requisitos da aplicação no campo da tecnologia hidroacústica, mas até o final do século XX, o desenvolvimento da tecnologia de transdutor hidroacústico do meu país não tinha a natureza geral e sistemática.

1.1 Progresso de pesquisa de transdutores de baixa frequência

Em resposta às necessidades urgentes de transmissão de informações subaquáticas ultra-longas e do desenvolvimento da detecção de submarina ultra-furto, os transdutores de transmissão de baixa frequência tornaram-se um dos pontos de acesso mais preocupados no campo de transdutores acústicos subaquáticos desde o século XXI. A faixa de freqüência de trabalho da detecção de ultra-longa estrangeira e sonar de comunicação foi reduzida a cerca de 100 Hz. Transdutores de baixa frequência envolvem muitos problemas teóricos e técnicos, que não foram resolvidos bem atualmente, e esse aspecto ainda será o ponto de pesquisa e o foco de atenção no desenvolvimento futuro. Esta seção seleciona o trabalho de pesquisa de transdutores de baixa frequência de vibração flexural e transdutores de tensão flexural e resume as novas conquistas tecnológicas.

1.1.1 Transdutor de baixa frequência de vibração de flexão

O primeiro problema técnico enfrentado pelo desenvolvimento de transdutores subaquáticos de baixa frequência é o tamanho geométrico. Geralmente, a frequência de trabalho de transdutores ressonantes é inversamente proporcional ao tamanho geométrico. Ou seja, menor a frequência do transdutor, maior o tamanho geométrico será. A vibração pode efetivamente reduzir o tamanho geométrico de transdutores de baixa frequência. Os novos projetos de transdutores de vibração flexográfica de baixa frequência na China nos últimos 20 anos incluem principalmente transdutores de feixe curvo e transdutores de disco curvo.

(1) transdutor de feixe de flexão. Projetar um transdutor de transmissor de banda larga cilíndrico do cantilever (Figura 1A). O design da estrutura combina as características de baixa frequência modal de vibração flexural e o método de acoplamento de vibração multi-modal para ampliar a faixa de frequência. Chai Yong et al. É proposto um transdutor de anel de acoplamento de feixe de tubo (Figura 1B). Ao adicionar um feixe curvo ao transdutor em forma de anel embutido para formar uma estrutura de acoplamento de feixe de tubo, o modo de trabalho efetivo é aumentado. Use o acoplamento multi-modo para obter características operacionais de baixa frequência e banda larga. A estrutura de estouro é adotada, e sua capacidade de suportar a pressão hidrostática foi verificada pela aplicação real do padrão submersível de 3 000 m de profundidade. Xu et al. proposto dois esquemas de design paratransdutores de baixa frequência cilíndricos(Figura 1C e D), realizou uma série de simulações e deu as curvas de resposta de emissão impulsionadas pelos novos materiais magnetostrictivos terfenol-D e Galfenol. Ele demonstra o potencial da estrutura do transdutor para aplicações de frequência ultra-baixa.

(3) transdutor de disco dobrado. O transdutor de disco curvo inclui três pilhas, estruturas de pilha dupla e assim por diante. A Figura 2A mostra um transdutor de disco curvo compacto composto por um par de laminações duplas. O trabalho de pesquisa estrangeiro é relativamente maduro. É realizado pesquisas aprofundadas sobre esta estrutura básica do transdutor de disco curvo. A partir desta estrutura básica, projetando a câmara líquida e melhorando o modo de condução, alguns novos projetos foram produzidos]. A figura 2b é um transdutor de disco curvo acionado por um anel de mosaico. O design da Figura 2C usa transdutores de disco curvados de diferentes tamanhos para formar uma matriz e usa diferentes métodos de condução para obter a operação de banda larga. A Figura 2D é um transdutor de disco curvo com estrutura de cavidade de transbordamento. O tamanho da cavidade líquida é adequadamente ajustado no projeto para atender aos requisitos de desempenho acústico. É um transdutor de disco curvo acionado pela Galfenol, que usa uma estrutura semelhante a um transdutor longitudinal para excitar a vibração de flexão da radiação frontal

Figura 2 Novo design de transdutor de baixa frequência com disco curvo

1.1.2 Transdutor fleptensional

O conceito do transdutor fleptensional começou a partir da patente de Hayes em 1936. O modo de trabalho básico é que um ou mais vibradores telescópicos impulsionam o shell de vibração flexural para gerar radiação sonora de baixa frequência. A pesquisa e aplicação de transdutores fleptensionais no meu país foram ativos desde o final do século XX. Pesquisadores projetaram transdutores fleptensionais com várias estruturas. De acordo com a estrutura e o método de excitação, os transdutores fleptensionais são divididos em três categorias. Este método de classificação é usado aqui para introduzir separadamente.

(2) transdutor de tensão de flexão com estrutura cilíndrica. Este tipo de transdutor é impulsionado por um vibrador telescópico longitudinal para traduzir a concha de vibração flexural. A casca vibratória do transdutor é uma estrutura de tradução, isto é, uma casca cilíndrica de várias formas, que é impulsionado por um ou mais vibradores telescópicos longitudinais. Incluindo o Tipo IV Transdutor Fleptensional e sua estrutura de deformação, transdutor fleptensional do tipo VII, transdutor fleptensional quadrilateral, etc. A Figura 3A é uma estrutura típica do transdutor fleptensional do tipo IV. O transdutor fleptensional do tipo IV impulsionado por um material de Cristal de Cristal Single Ferroelétrico Relaxador foi desenvolvido. O tipo IV Transdutor Fleptensional impulsionado pela terfenol-D rara da terra gigante foi desenvolvida. A Figura 3B é o novo design do transdutor fleptensional do tipo VII, que é impulsionado pelo material magnetostrictivo gigante de terra rara terfenol-d. O método de excitação é projetado na parte mais larga da dimensão transversal, e um par de vibradores paralelos é projetado para dar uma olhada aprofundada neste tipo de transdutor. A série de pesquisas incluem análise de design dos Prestros, modelagem teórica, análise modal, pesquisa experimental, etc. A Figura 3C é um design novo melhorado do transdutor fleptensional do tipo IV, que é semelhante à melhoria do projeto do transdutor fleptensional do tipo I para o tipo I II Transdutor Fleptensional, usando uma estrutura elíptica de casca com um eixo longo alongado, o transdutor é impulsionado pelo material de cristal único ferroelétrico relaxante PMNT, que tem melhores características operacionais de banda larga do que o transdutor fleptensional do tipo IV geral. A figura 3D é o mais antigo design novo para melhorar o transdutor fleptensional do tipo IV na China - o transdutor fleptensional do tipo lábio de peixes, que utiliza uma concha elíptica de altura variável e usa a unidade de terfenol-d super magnetostrictive da terra rara, esta vibração de vibração específica A Shell tem um efeito de braço da alavanca e um efeito de amplificação altamente ponderado. Atualmente, o transdutor fleptensional do lábio de peixes terfenol-D foi serializado e projetado em uma estrutura de casca dupla para aumentar ainda mais a potência de transmissão. A potência máxima de som de um único transdutor pode atingir 10.000 watts, tornando-o um transdutor de transmissão de alta potência de baixa frequência doméstica um dos tipos básicos. A Figura 3e é um transdutor fleptensional de excitação ortogonal, que adota uma melhoria de design compacto, que pode adicionar materiais mais funcionais em um volume limitado e melhorar o nível de fonte de som de emissão. A figura 3F é outro novo design novo do transdutor fleptensional do tipo IV, semelhante à melhoria do projeto do transdutor fleptensional do tipo I para o transdutor fleptensional tipo III, que usa duas conchas elípticas em série ao longo da direção do eixo longo, por mais tempo, A pilha piezoelétrica é usada para excitar, de modo que a frequência de ressonância do vibrador longitudinal seja reduzida e próxima do modo de frequência fundamental da concha flexural, que é propícia ao acoplamento modal para obter características operacionais de banda larga. A Figura 3G é um novo design novo para o vibrador de excitação do Tipo IV Transdutor Fleptensional. É um transdutor fleptensional do tipo IV movido pelo vibrador dobrável. Essa estrutura combinada com um material de habitação de baixa rigidez pode efetivamente reduzir a freqüência de ressonância.

Figura 3 Transdutor de tensão de flexão com estrutura de coluna

Também é conhecido como o transdutor fleptensional tipo gourd. É estudado o transdutor fleptensional tipo gourd por PZT e PZT + terfenol-d. , A análise de simulação dos parâmetros característicos de emissão da excitação conjunta é realizada. A Figura 4c é um transdutor de tensão flexível de tubo côncavo excitado pela combinação de magnetostrição-piezoelétrica. No design, dois elementos de excitação, terfenol-d e pzt, são usados ​​para formar um vibrador longitudinal composto. A Figura 4D mostra o transdutor fleptensional côncavo-cilindro. É excitado pela pilha multi-piezoelétrica. Sob a premissa de que a concha permanece inalterada e o volume total do material cerâmico piezoelétrico é o mesmo, a análise de diferentes números (1-4) pilha piezoelétrica impulsiona para o impacto no desempenho do transdutor, uma flexão de tubo côncavo Transdutor de tensão animado por uma pilha tripla piezoelétrica foi projetada e desenvolvida.

Figura 4 Transdutor de tensão de flexão de corpo de longa dininha

Transdutor de tensão de flexão de corpo rotativo tipo plano. Este tipo de transdutor é impulsionado por um vibrador radialmente em expansão para conduzir um shell de vibração de flexão rotacionalmente simétrica. A casca vibrante do transdutor é uma estrutura rotacionalmente simétrica, geralmente um par de tampas esféricas convexas ou côncavas (ou tampas esféricas) ou é composta de um disco, etc., impulsionado por um anel de expansão radial ou vibrador de discos, incluindo V- Transdutor de tensão flexível em forma, transdutor de tensão flexível VI, transdutor de tensão flexível em forma de disco, etc., introduzido aqui tamanho pequeno V-tipo fleptensional transdutor-cymbal e tipo de disco transdutor fleptensional. A Figura 5A é um transdutor fleptensional em forma de V. Um par de tampas de metal são impulsionados por um disco cerâmico piezoelétrico que vibra radialmente para produzir vibração flexural; A Figura 5B é um transdutor fleptensional em forma de disco, que usa o PZT- no design. 4 O anel de cerâmica piezoelétrico radialmente polarizado impulsiona o disco curvo. O disco é dividido em 16 setores iguais ao longo da fenda radial para reduzir o acoplamento da vibração lateral. Os transdutores fleptensais destas duas formas estruturais têm as características de baixa frequência ressonante, pequeno tamanho geométrico e alta eficiência eletroacústica.

Figura 5 Transdutor de tensão de flexão de flexão de corpo de giro

1.2 Progresso de pesquisa de transdutores de banda larga de alta frequência

Além da distância de detecção como um importante indicador de equipamentos acústicos subaquáticos, outra direção de desenvolvimento é obter a quantidade máxima de informações de destino como o objetivo principal. Por exemplo, o sonar de alta resolução, a comunicação acústica subaquática da taxa de dados, etc. Requer operação de modo de alta frequência, e a banda de freqüência de trabalho é tão ampla quanto possível. Portanto, transdutor acústico subaquático de banda larga de alta freqüência tornou-se um componente chave do sistema, semelhante à óptica. A lente do sistema de imagem é a mesma.

A figura 6A é umaTransdutor de banda larga de alta frequênciacom coluna cerâmica piezoelétrica e camada de correspondência. A proporção de espaçamento cerâmico piezoelétrico para o tamanho cerâmico e o efeito dos materiais de enchimento na largura de banda são estudados. A camada de correspondência dupla transdutor de banda larga de alta frequência projetada na Figura 6B usa colunas cerâmicas piezoelétricas para formar uma matriz e, em seguida, adiciona uma estrutura de camada de combinação dupla de camada de metal e material composto de resina para obter desempenho acústico de emissão de alta freqüência. A Figura 6C mostra o transdutor de banda larga composta de alta frequência piezoelétrico projetado 1-1-3, que consiste em pilares piezoelétricos conectados tridimensionais e pilares de metal conectados 1-dimensional dispostos em paralelo em uma matriz de polímero conectada 3-dimensional. O material compósito piezoelétrico trifásico é formado e o transdutor de transmissão de banda larga de alta frequência foi desenvolvido. A Figura 6D mostra o transdutor de banda larga de alta freqüência de alta frequência piezoelétrico projetado, que usa o efeito de acoplamento do modo de vibração de espessura e o modo de vibração transversal de primeira ordem para realizar as características operacionais de banda larga. A Figura 6E mostra o transdutor de banda larga de alta frequência anel de alta frequência piezoelétrico projetado. O anel composto piezoelétrico é obtido, cortando radialmente o anel cerâmico piezoelétrico e derramando resina epóxi. Então, dois anéis compostos piezoelétricos com diferentes espessuras de parede são obtidos. O anel composto é sobreposto a formar um transdutor radialmente radiante de ressonância dupla.

Figura 6 Transdutor de banda larga de alta frequência