Innovation technologique dans le développement de transducteurs acoustiques sous-marins (2)

Innovation technologique dans le développement de transducteurs acoustiques sous-marins (2)

L'alliage de fer-gallium (Galfenol) est un nouveau type de matériel magnétostrictif qui a émergé ces dernières années. Sa souche magnétostrictive est entre le nickel et le terfénol-d, à 300 ppm (PPM est microvariable, représentant ΔL / L = 10- 6) ci-dessus, par rapport au terfenol-d, il a les avantages d'une perméabilité relative plus élevée (> 100), bon Machinabilité, stabilité à haute température et résistance à la traction élevée. Étant donné que le matériau en alliage fer-gallium a de bonnes performances d'usinage et une forte résistance mécanique, elle peut être utilisée pour concevoir et traiter le boîtier du transducteur flextenaire. La figure 2b est un exemple de recherche d'un transducteur flextenaire du baril concave avec un boîtier en alliage de gallium de fer. Latransducteur acoustique sous-marinest entraîné, le vibrateur est composé d'éléments d'alliage de gallium de fer φ20 mm × 40 mm et de feuilles d'aimant permanente néodyme-fer-boron, et forme un circuit magnétique fermé avec la coque rayonnante. Les résultats expérimentaux montrent que la réponse du courant d'émission du transducteur est de 168,4 dB (fréquence de résonance 1750Hz), ce qui est meilleur que la duratune de la même taille géométrique. Le transducteur de logement (fréquence de résonance 1900 Hz) est amélioré de près de 5 dB, ce qui reflète les avantages de conception du logement actif.

Publié en 2000, les résultats de la recherche du transducteur longitudinal à large bande magnétostrictive-piézoélectrique. Le transducteur longitudinal est conduit conjointement par l'unité terfenol-D et la pile PZT, qui réalise l'opération à large bande de 1,8 kHz et 3,5 kHz le couplage de pic à double résonance. Caractéristiques, la littérature a également rapporté que le réseau plan plan de haute puissance 4 × 4 composé de ce type de transducteur, le niveau de source sonore du réseau est supérieur à 225 dB dans la bande de fréquence de 1,5 à 6 kHz.

Terfenol-D transducteur longitudinal à entraînement multiples, l'auteur a conçu ingénieusement l'unité d'entraînement, sa structure utilise une manche aimant permanente pour appliquer un champ magnétique biais pour séparer le champ magnétique statique du circuit magnétique dynamique et le magnétique dynamique de l'aimant permanent permanent Des éléments à faible perméabilité sont évités sur la route et l'effet de conduite d'énergie du champ magnétique augmente; est le diagramme physique de l'unité d'entraînement. 4 Ces unités d'entraînement sont connectées mécaniquement en série pour former un remplacement longitudinal à basse fréquence avec le couvercle avant et la masse de queue. Le dispositif d'énergie, la vis centrale est précontraint; La figure 3C est l'image réelle du transducteur après emballage, la fréquence de résonance du transducteur est de 1,6 kHz et le niveau de source sonore est de 177BB.

La conception du circuit magnétique du transducteur magnétostrictif est très importante. Butler a pris l'exemple du transducteur flextenaire du canon concave et a comparé les effets de travail de six schémas de circuits magnétiques par analyse par éléments finis. Les structures de circuit magnétique de la figure 4A-F sont respectivement.Tale de terre rare continue plus pur fer magnétique magnétique couvercle et manche accessoires perméables, barre de terre rare continue plus couverture d'extrémité accessoire perméable en fer pur, barre de terre rare continue sans accessoire perméable en fer pur, combinaison de tige de terre rare et de morceau d'aimant permanent plus en fer pur perméable perméable Couvercle d'extrémité de fixation et manchon, tige de terre rare et combinaison de pièces aimant permanente plus couverture d'extrémité accessoire magnétique magnétique en fer pur, tige de terre rare et combinaison de pièces aimant permanente sans accessoire magnétique perméable en fer pur, les coefficients de couplage électromécaniques effectifs sont calculés à 0,33, 0,30 , 0,27, respectivement, 0,23, 0,21 et 0,20, indiquant que le coefficient de couplage électromécanique efficace du vibrateur de terre rare est passé d'une tige de terre rare continue à une tige de terre rare combinée avec une feuille d'aimant permanente. Les capuchons et les manches des accessoires perméables magnétiques en fer pur ont un certain effet sur l'amélioration des performances de couplage électromécanique du vibrateur de terres rares, mais pour les matériaux de conduite avec une perméabilité relative faible telle que le terfénol-d, l'amélioration est petite et l'efficacité électromécanique efficace Le coefficient de couplage est déterminé de 0,20 à 0,23 ou 0,27 à 0,33.

2. une nouvelle génération de matériaux piézoélectriques et leurs transducteurs

Jusqu'à la première moitié du 20e siècle, tous les matériaux piézoélectriques étaient des monocristaux. Le titanate de barium en céramique piézoélectrique polycristallin a été découvert pour la première fois dans les années 1950, suivi du titanate de zirconate de plomb (PZT) dans les années 1960. Les performances de ces céramiques piézoélectriques dépassent de loin celles des monocristaux précoces, et le PZT est depuis devenu le principal matériau fonctionnel des transducteurs acoustiques sous-marins.

Au milieu des années 1990, le titanate de niobate de magnésium de magnésium en mât de magnésium à cristal piézoélectrique (PMN-PT) et le titanate de plomb au niobate de zinc (PZN-PT) ont été découverts, ces deux matériaux monocristallins piézoélectriques. Il a une très haute souche de saturation (plus à 1%), une faible perte et un coefficient de couplage piézoélectrique élevé (supérieur à 0,9), montrant les avantages potentiels de l'augmentation de la puissance et de l'élargissement de la bande de fréquence dans le sens du transducteur acoustique sous-marin. Ces dernières années, le titanate de niobate de niobate de niobate de niobate ternaire ternaire (Pin-PMN-PT) et le plomb à plomb à plomb à plomb à la plomb niobate) titanate de niobate de niobate de niobate de manganèse (MN: PIN-PMN-PT) , qui améliore encore les caractéristiques de travail dans des conditions de champ électrique élevées.

L'application de matériaux monocristaux piézoélectriques tels que PMN-PT dans le domaine de l'acoustique sous-marine a commencé à partir de la conception et du développement de transducteurs longitudinaux. Meyer et d'autres ont effectué une série de travaux de recherche, y compris une analyse détaillée des transducteurs longitudinaux PMN-PM-PMN 33 en mode et 32 ​​modes, et une étude comparative avec PZT-8. La figure 5A est un transducteur longitudinal à 33 modes entraîné par une pile de plaquettes de 10 pzt-8, la figure 5B est un transducteur longitudinal à 33 modes entraîné par une pile de plaquettes de 3 pm-pt, et la figure 5C est un 4 pm-pt la Les bandes longues forment un transducteur longitudinal en forme de bouche \".\" - en forme de 32 modes. Les résultats montrent que lorsque PMN-PT et PZT-8 sont utilisés pour fabriquer des transducteurs longitudinaux avec le même niveau de source de fréquence et d'émission et d'autres paramètres, le cristal PMN-PT La longueur de pile n'est que d'environ 30% de PZT-8, ce qui montre les avantages techniques des matériaux monocristallins piézoélectriques pour faire de petits transducteurs; Le mode 32 peut faire entendre les matériaux monocristallins en fonction de la meilleure orientation de performance, et en même temps utiliser la combinaison de longues bandes, il peut éviter les problèmes techniques tels que la croissance de plaquettes uniques de grande taille, améliorer la fiabilité et la cohérence de la transducteur, et présente des avantages évidents pour les applications de réseau de sonar léger à moyenne et haute fréquence.

Un seul cristal a développé untransducteur de transmission cylindriquecomposé d'anneaux incrustés. Chaque anneau est composé de 12 bandes en forme de coin, et 9 anneaux sont étroitement assemblés dans le sens axial pour former un cylindre. La taille géométrique (φ20,3 mm × 66 mm) est nettement plus petite que le transducteur en céramique piézoélectrique de la même fréquence, et réalise les caractéristiques de travail à large bande de plus de 2,5 octave. Un autre document utilise un monocristal PMN-PT pour développer un transducteur flextenaire de baril concave. Le vibrateur d'entraînement du transducteur est composé d'une pile de 16 éléments axialement polarisés φ28 mm × φ10mm × 4,8 mm et une coque de vibration en alliage de titane. La réponse de tension d'émission est améliorée de plus de 5 dB par rapport au même transducteur de structure du matériau PZT-4.

La température de transition de phase trigonale-tétragonale du monocristal PMN-PT est relativement faible, ce qui limite sa plage d'application dans une certaine mesure, en particulier pour les applications dans des conditions de haute puissance. Le titanate de niobate de niobate de niobate de niobate ternaire ternaire (PIN-PMN-PT) et monocristal dopé à manganèse (MN: PIN-PMN-PT) font de la température de transition de phase du relaxor un monocristal ferroélectrique augmente et réduisent considérablement la température de la transition de phase Facteur de perte En même temps: la température de transition de phase est augmentée de 95 ° C à 125 ° C, le facteur de perte est réduit de 0,26 à 0,15, et le facteur de perte n'est que de la 1/2 de la céramique piézoélectrique PZT-4 habituelle. Il existe également de la littérature utilisant ces deux nouvelles formules monocristaux, PMN-PT et PZT-4 pour fabriquer des transducteurs longitudinaux et comparer leurs caractéristiques de fonctionnement de haute puissance, ce qui prouve que la nouvelle formule monocristalle est plus adaptée à la puissance élevée et grande conditions de cycle de service. Le niveau de source sonore du transducteur PMN-PT est de 5 dB plus élevé que celui du transducteur PMN-PT à la fréquence de résonance. Par rapport à la céramique piézoélectrique PZT-4, le niveau de source sonore et la capacité d'alimentation à la fréquence de résonance sont essentiellement équivalents, et la bande passante de travail a augmenté de 1 fois, et le niveau maximal de source sonore en dehors de la fréquence de résonance est augmenté d'environ 6 dB.

La recherche sur les applications du matériel monocusstal PMN-PT se concentre principalement sur le système d'imagerie ultrasonique à haute fréquence médicale. Voici un seul cas de recherche d'application de transducteur hydro-acoustique de cymbale, en utilisant un élément PMN-PT de φ12,7 mm × 1 mm pour conduire un titane de 0,25 mm d'épaisseur, le plafond de vibration de flexion en alliage a développé un transducteur à tension de flexion à petite taille de type cymbale, qui, qui de type cymbale, de type flexion à tension à la baisse, qui, de type cymbale, est de la tension de flexion, qui, qui a de petite taille, qui, de type bilan de type cymbale, a été transducteur, dont a une réponse de tension d'émission plus élevée de 6 dB que le transducteur entraîné par PZT-4 avec la même structure.

2. Innovation technique de la structure et de la technologie des transducteurs acoustiques sous-marins

⒈ innovationchnique pour améliorer les caractéristiques du faisceau

Dans le sonar moderne, divers tableaux de base sont généralement utilisés pour obtenir les caractéristiques du faisceau requises. Cependant, lorsque l'ouverture d'installation du transducteur est limitée et qu'il existe des exigences particulières pour les caractéristiques du faisceau, des mesures techniques doivent être prises pour contrôler les caractéristiques du faisceau du transducteur. Les principales approches techniques pour l'amélioration comprennent: l'application Baffle, la technologie de superposition modale utilisant des dipôles et des multipôles, etc. Cette section sélectionne quelques exemples de recherche typiques, en se concentrant sur l'analyse et le résumé de l'utilisation de méthodes de superposition modale pour améliorer les caractéristiques du faisceau du transducteur Réalisations techniques.

⑴Sing the Baffle pour améliorer les caractéristiques du faisceau du transducteur

Dans le système de sonar précoce, un transducteur indépendant a été généralement utilisé. Lorsque la directivité ne peut pas répondre aux exigences, la réflexion de la défilé est utilisée pour contrôler le faisceau de transmission, qui comprend principalement le passage à travers un déflecteur plat, une balle cylindrique et un déflecteur sphérique. Plaque et congé de cône pour modifier la directivité des transducteurs cylindriques, des transducteurs de piston, des transducteurs sphériques, etc., dans une certaine mesure répondent aux besoins du contrôle du faisceau de transmission unidirectionnel, comme le montre la figure 6, l'utilisation de doubles cônes le déflecteur réfléchissant Ajuste la directivité du transducteur toroïdal magnétostrictif et réalise la caractéristique du rayonnement du faisceau à côtés.

Il existe une littérature selon laquelle le transducteur flextenaire de type IV de 3KHz est placé près de la mise au point du réflexe du réflecteur parabolique, de sorte que le transducteur flextenaire de type IV avec sa propre non résectionnalité peut atteindre des caractéristiques de rayonnement unidirectionnelles. L'expérience obtient un angle d'ouverture à angle unique de 83 °. Pour le faisceau, la différence de réponse avant et arrière est de 21 dB.

⑵ Transducteur directionnel combiné modal

Divers transducteurs structurels ont différents modes de vibration à plusieurs commandes. Les transducteurs résonnants fonctionnent généralement sur la base du mode de vibration de fréquence fondamentale. Différents modes de vibration correspondent à leurs méthodes d'excitation efficaces, de sorte qu'une combinaison de méthodes d'excitation peut être utilisée réaliser la conduite de superposition de plusieurs modes de vibration, afin d'atteindre le but de modifier les caractéristiques du faisceau de transmission. Les principaux modes qui peuvent modifier les caractéristiques du faisceau du transducteur à travers la combinaison comprennent le mode monopole, le mode dipôle et le mode quadrupol, etc. Ces modes de base peuvent obtenir une variété de modèles de directivité grâce à une combinaison pondérée. Dans cette section, combinée à des résultats de littérature spécifiques, une brève analyse et un résumé de la technologie de traitement et des méthodes d'excitation de différents transducteurs structurels pour obtenir une superposition modale sont faites.

Excitation Le travail multimode adopte généralement la méthode d'excitation de partition, telle que: tube en céramique piézoélectrique ou coquille sphérique adopte souvent la méthode de l'électrode divisée, voir la figure 7a, b; polygone magnétostrictif (anneau) transducteur, adopte l'excitation indépendante du bord de la voie.

Butler et al. conçu et développé un \"transducteur modal \", toujours en utilisant l'idée de conception de l'excitation de partition, mais en se déplaçant par la limitation de la division des composants indépendants, en utilisant 8 vibrateurs longitudinaux indépendants pour partager la masse de queue, chaque transducteur le rayonnement 1/4 La surface est une surface d'arc cylindrique près de 45 °, et ils enferment collectivement un transducteur d'émetteur cylindrique partitionné et conduit indépendamment. La taille géométrique du transducteur n'est pas limitée par les conditions de procédé des éléments indépendants, et la direction longitudinale de la structure précontraint est adoptée en même temps. Le vibrateur présente des avantages techniques pour la conception de transducteurs de transmission directionnels à basse fréquence et à haute puissance. La figure 8 montre les formes de vibration modale de base du \"Transducteur modal \". Les transducteurs modaux basés sur la céramique piézoélectrique PZT-8, les matériaux magnétostrictifs uniques PMN-PT et le terfenol-D ont été conçus et développés respectivement. Il a obtenu un faisceau de transmission directionnel cardioïde avec un indice de directivité de 6 dB et une différence de 25 dB en réponse avant.

Il s'agit d'un autre type de transducteur d'émission directionnel à basse fréquence et de haute puissance - un transducteur flextenaire excité par zone. Dans la conception, la pile piézoélectrique (ou vibrateur magnétostrictif) du transducteur à tension flexion est soumise à une excitation de zone, en utilisant la combinaison de modes monopole et dipôle est superposée pour former un faisceau d'émission directionnel cardioïde. La figure 9A est un transducteur flextenaire de type IV de type IV à 900 Hz, et la figure 9B est un transducteur flextenaire de type VII de type VII de 3 kHz.

La littérature étudie un transducteur cylindrique multimode à large bande avec une plaque de chicane (illustrée à la figure 10). Les électrodes du tube cylindrique en céramique piézoélectrique sont également divisées en deux groupes, et indépendamment excitées pour obtenir un monopole (mode 0) et un dipôle (mode 1), puis coopérer avec le Baffle pour réaliser l'émission directionnelle unilatérale. Les travaux de recherche utilisent également la relation de phase entre les modes pour concevoir un amplificateur de puissance indépendant et un circuit de réglage, à travers la basse fréquence \"0 + 1 \" et la fréquence haute \"0 + 1 \". －1 \"Contrôle de la combinaison modale réalise les caractéristiques de travail à large bande. Le transducteur adopte 4 tubes ronds piézoélectriques PZT-4 de φ38,2 mm × φ31,8 mm × 19 mm dans le sens de la hauteur, et la taille après emballage est de φ48 mm × 79 mm. La balle est Fabriqué en deux morceaux de caoutchouc de liège laminé pour former un demi-cercle. La surface cylindrique a une épaisseur de 6 mm, et la réponse de tension d'émission fluctue de 6 dB dans la bande de fréquence de 26-46 kHz.

2. innovation technique pour améliorer les caractéristiques de fréquence

Avec l'extension multidirectionnelle de la direction d'application de la technologie acoustique sous-marine, la gamme de fréquences de travail des systèmes de sonar active a été en continu. Parmi eux, la fréquence de travail du sonar d'image haute résolution a été augmentée à 106 Hz, et la bande de fréquence de travail du sonar de détection et de communication ultra-longue distance est encore plus faible. En dessous de 100 Hz; D'un autre côté, le développement du traitement de l'information sonar exige que la bande de fréquence de travail du transducteur soit aussi large que possible. Par conséquent, les transducteurs à basse fréquence et les transducteurs à large bande ont attiré beaucoup d'attention dans le domaine acoustique sous-marin ces dernières années, et les résultats de la recherche sont assez riches. Cependant, il existe encore de nombreux problèmes théoriques et techniques qui n'ont pas été bien résolus. Cet aspect sera toujours le hotspot de recherche et la focalisation du développement futur. Cette section sélectionne les travaux de recherche dans le sens des transducteurs à basse fréquence et des transducteurs à large bande, et les analyse et les résume. Idées innovantes et nouvelles réalisations technologiques.

⑴ Conception innovante du transducteur basse fréquence

① Transducteur de basse fréquence de vibration

Le premier problème technique rencontré par le développement de transducteurs à basse fréquence est la taille géométrique. Généralement, la fréquence de travail des transducteurs résonnante est inversement proportionnelle à la taille géométrique, c'est-à-dire, plus la fréquence du transducteur est faible, plus la taille géométrique est grande, comme la conversion longitudinale de 500 Hz. La longueur du dispositif d'énergie est d'environ 3 m. Les vibrations de flexion peuvent réduire efficacement la taille géométrique des transducteurs à basse fréquence. Parmi eux, les transducteurs dont les dispositifs fonctionnels participent directement aux vibrations de flexion comprennent principalement des transducteurs de faisceau de flexion, des transducteurs de disque de flexion, etc.

La figure 11A montre une structure de faisceau de flexion à trois efforts typique. Un morceau de bandes de céramique piézoélectrique est collée en haut et en bas du faisceau de flexion. Lorsque l'une des bandes en céramique piézoélectrique s'étire et les autres contrats lorsqu'ils sont excités, le faisceau métallique au milieu produira des vibrations de flexion. Ce type de conversion d'énergie Le dispositif doit être exposé à l'eau d'un côté pour rayonner des ondes sonores, donc généralement plusieurs poutres incurvées sont combinées pour former une cavité d'air, comme le montre la figure 11B, chaque surface rayonnante vibre en phase.

Un principe de travail similaire est appelé transducteur à disque incurvé avec une structure de disque, qui comprend également une structure à trois couches et double laminée. La figure 11C montre un transducteur à disque incurvé compact composé d'une paire de feuilles à double laminée. (Cintreuse). L'analyse du système Delany a recherché les caractéristiques de fonctionnement à basse fréquence, de petite taille et haute puissance de Bender.

Le développement de transducteurs à basse fréquence des vibrations de flexion comprend également un nouveau transducteur toroïdal-split-split (illustré à la figure 12). Le transducteur toroïdal divisé peut être considéré comme un transducteur de faisceau de flexion spécial. La structure d'origine a été proposée par Harris en 1957. Le faisceau d'anneau composite a été composé d'un anneau en céramique piézoélectrique intérieur et d'un anneau en métal extérieur. La modélisation et l'analyse du transducteur étaient basées sur le modèle \"Tuning Fork \" illustré à la figure 12B, et l'élément de conduite a été ajusté à une structure divisée. Le transducteur à anneau divisé peut être conçu avec une taille plus grande, et la masse peut être ajustée à travers la distribution d'épaisseur pour obtenir l'optimisation de la fréquence de fonctionnement et des caractéristiques de rayonnement, comme le montre la figure 12C.

Transducteur de tension de fin

Le concept du transducteur flextenaire a commencé à partir du brevet de Hayes en 1936. Après que Toulis a publié le brevet du transducteur Fléxtension de type IV en 1966, la recherche et l'application du transducteur flytend loin. Dans le siècle dedL'histoire de l'évaluation, diverses formes structurelles de transducteurs flextenaires sont nés, et leurs principes de travail et leurs processus structurels sont pleins d'idées de conception innovantes. Nous ne pouvons pas les introduire un par un dans l'ordre chronologique de leur développement, seulement les transducteurs flextenaires. La structure et les méthodes d'incitation de l'entreprise sont divisées en trois catégories suivantes, qui sont brièvement analysées et résumées.

△ Transducteur de tension de flexion avec structure cylindrique. Ce type de transducteur est entraîné par un vibrateur télescopique longitudinal pour traduire la coquille de vibration de flexion, comme le montre la figure 13. La coquille vibrante du transducteur est une structure de translation, c'est-à-dire une surface cylindrique de diverses formes, entraînée par une ou plusieurs structures longitudinally telescopic vibrators, a is type IV flextensional transducer, b is type VII flextensional transducer Energy device, c is a \"star-shaped\" bending-tension transducer driven by an orthogonal piezoelectric stack, and a \"star-shaped\" Transducteur de tension de flexion entraîné par un vibrateur magnétostrictif quadrilatéral. Étant donné que ce type de transducteur est facile à concevoir un vibrateur d'excitation partitionné, le transducteur flou directionnel décrit ci-dessus choisit généralement ce type de structure.

△ Transducteur de tension de flexion avec un corps rotatif long. Ce type de transducteur est entraîné par un vibrateur télescopique longitudinal pour conduire une coque de vibration de flexion symétrique en rotation, comme le montre la figure 14. La coque vibrante du transducteur est une structure symétrique en rotation, y compris une série de faisceaux de canon réparti le long de la circonférence, qui sont généralement entraînés par un vibrateur longitudinalement télescopique. Les figures 14A et B sont les formes convexes de la structure du transducteur flextenaire de type I et de la structure concave; Comme le montre la figure 14C, le vibrateur d'excitation longitudinal du transducteur est allongé dans la direction axiale pour augmenter le volume du matériau fonctionnel pour se développer en un transducteur flextenaire de type II; Comme le montre la figure 14D, la coque de vibration de flexion est conçue sous la forme de deux sections ou plus, elle est développée en un transducteur flextenaire de type III. Les transducteurs flextenaires de type II et de type III ont des structures concaves correspondantes.

△ Transducteur de tension de flexion avec corps rotatif plat. Ce type de transducteur est entraîné par un vibrateur radialement en expansion pour entraîner une coque de vibration de flexion symétrique en rotation, comme le montre la figure 15. La coquille vibrante du transducteur est une structure rotationnellement symétrique, généralement une paire de couronnes sphériques convexes ou concav Couronnes), entraînée par un anneau ou un vibrateur à disque radialement en expansion, la figure 15A montre le transducteur flextial de type V du lecteur de cycle en V, B est un transducteur flextenaire de type V à la tranche, C est un transducteur flextenaire de type VI, D et E sont petits Transducteurs flytendants développés sur la base de la structure B Le dispositif est appelé transducteur de cymbale.

△ Structure de la cavité Transducteur basse fréquence. Le résonateur de Helmholtz est la forme de base de la structure de la cavité sous-marin acoustique transducteur, comme le montre la figure 16. A, B et C sont les trois structures de base des résonateurs de Helmholtz, qui utilisent l'excitation du tube en céramique piézoélectrique, l'excitation de la bille de flexion à la flexion et la piézoélectricité de la boule céramique excitation par balle céramique piézoélection . Les résonateurs de Helmholtz ont généralement une bande de fréquence de travail étroite, et D est utilisé sur la base de B Les surfaces à double fonctionnement du disque incurvé excitent les cavités résonnantes de différents volumes pour réaliser l'opération à double résonance. La littérature a établi un modèle d'analyse de résonateur Helmholtz plus complet et a analysé la relation entre les caractéristiques de travail et les paramètres structurels du résonateur Helmholtz à 300 Hz. Morozov et al. Conçu une source sonore d'orgue de tuyau sous-marine (illustré à la figure 17). La conception de la figure 17A réalise le réglage de la fréquence en déplaçant le manchon pour changer l'impédance du système de résonance. La fréquence de réglage varie de 225 à 325 Hz, et l'efficacité est jusqu'à 80% ou plus, reflétant le système à Q (facteur de qualité) avec des caractéristiques à haute efficacité; Figure 17B La conception utilise une structure à double tube avec une source sonore sphérique intégrée pour atteindre une résonance à double fréquence. La résonance à basse fréquence est une résonance de cavité composée d'un manchon à double section. La résonance haute fréquence n'est que la résonance correspondant au tube de résonance interne. Le manchon extérieur et le tube de résonance intérieure peuvent utiliser des matériaux en aluminium métallique ou en fibre de carbone non métallique.

⑵ Conception innovante du transducteur à large bande

Dans l'histoire du développement de la technologie acoustique sous-marine, une variété de formes structurelles de transducteurs acoustiques sous-marines ont été produites, chacune avec des caractéristiques de travail déterminées par ses caractéristiques structurelles. Afin de s'adapter aux besoins d'ingénierie des applications à large bande, presque tous les transducteurs structurels sont confrontés aux problèmes techniques de la conception à large bande et de l'amélioration des processus. Parmi eux, le transducteur longitudinal est l'une des formes structurelles les plus courantes de transducteurs dans le domaine detransducteur à large bande sous-marine. Les résultats de la recherche de la conception et de l'application à large bande sont assez riches. Les principes techniques de la conception à large bande d'autres transducteurs structurels sont fondamentalement similaires. Cette section se concentre sur une série de nouvelles idées de conception basées sur des transducteurs longitudinaux pour atteindre les caractéristiques à large bande.

① Transducteur longitudinal à large bande de bande

L'application de la combinaison de bandes de fréquences a déjà commencé au début du développement de la technologie sonar. Les premiers travaux ont été observés dans les années 40. Trois transducteurs longitudinaux magnétostrictifs avec différentes fréquences de résonance ont été utilisés pour entraîner une plaque rayonnante rectangulaire et six transducteurs dans un arrangement d'échelle. Poussé par une bobine d'enroulement commune (illustrée à la figure 18), les fréquences de résonance indépendantes du transducteur sont respectivement de 21,5, 23 et 24,5 kHz, Q = 12 et Q = 4 après la combinaison. Bien que cette méthode de combinaison de bande de fréquence ne soit pas strictement un transducteur à large bande, il est encore largement utilisé dans le domaine de l'acoustique sous-marine, en particulier dans les systèmes acoustiques tels que la simulation de bruit et les leurres acoustiques. La combinaison d'appareils réalise les caractéristiques d'émission ultra-large.

② Transducteur longitudinal à large bande de couplage modal

La couverture avant du transducteur longitudinal est généralement supposée vibrer à la manière d'un piston dans l'analyse du modèle unidimensionnel, c'est-à-dire qu'aucune vibration de flexion ne se produit. Lorsque la corne de la surface rayonnante du transducteur est relativement large, elle doit être accompagnée de vibrations de flexion, ce qui est raisonnable en utilisant le mode de vibration de flexion de la couverture avant pour l'associer efficacement avec le mode de vibration longitudinale, un transducteur longitudinal à large bande peut être conçu. La littérature a étudié l'effet de couplage des vibrations de flexion et des vibrations longitudinales de la plaque de couverture rayonnante carrée et a conçu un transducteur à large bande. Dans une autre littérature, un disque vibrant et de flexion est intégré dans la couverture de rayonnement, et le disque de flexion est couplé avec le mode de vibration du transducteur longitudinal, et le transducteur à large bande est conçu et développé comme le montre la figure 19A. La pile piézoélectrique du transducteur longitudinal peut être conçue en plusieurs groupes. Comme le montre la figure 19B, c'est la structure de base du transducteur qui utilise un couplage modal à double excitation pour obtenir un fonctionnement à large bande. Butler est basé sur la structure du transducteur longitudinal à double excitation. Développement approfondi, tels que l'utilisation de l'excitation hybride magnétostrictive et piézoélectrique pour concevoir un transducteur longitudinal à large bande, et la couverture avant pour coller une couche de correspondance de longueur d'onde 1/4, et concevoir un mode de résonance de troisième ordre, coupant une couche longitudinale à ultra-largeur à ultra-large bande longitudinal, un mode de résonance à ultra-large bande à large bande longitudinale Transducteur Le dispositif, comme le montre la figure 19C, a une bande de fréquence de travail de 13 à 37 kHz.

③ transducteur longitudinal de labande couplée à une cavité liquide

La conception typique du couplage entre le transducteur longitudinal et la cavité liquide est le transducteur Janus-Helmholtz (illustré à la figure 20). Le transducteur longitudinal adopte une structure rayonnante à double extrémité, appelée Janus, avec une manche cylindrique conçue pour former une cavité résonante de Helmholtz entre les têtes rayonnantes doubles de Janus; Le transducteur résonnant général de la cavité liquide a une bande de fréquence de travail étroite. Dans l'application conjointe de Janus, la transmission à large bande peut être réalisée grâce à une conception optimisée du couplage modal.

Gall a conçu deux transducteurs Janus-Helmholtz, 300 Hz et 160 Hz, et a étudié en profondeur l'effet de l'ajout d'un tube conforme dans la cavité résonante de Helmholtz sur les caractéristiques de fonctionnement du haut débit du transducteur.

⒊ innovationchnique pour améliorer la puissance du son émis

La manière directe d'augmenter la puissance sonore d'un transducteur acoustique sous-marine est d'augmenter le volume du transducteur, d'augmenter le nombre et de former une matrice serrée. La méthode la plus efficace consiste à utiliser des matériaux fonctionnels à haute densité. Les chapitres précédents ont expliqué l'application de matériaux fonctionnels de densité à haute énergie. Cette section se concentre sur les innovations techniques dans la structure et le processus de transducteurs haute puissance à petit volume.

En décrivant les avantages et les inconvénients de la petite taille et des caractéristiques de haute puissance du transducteur, le chiffre du volume du mérite est généralement utilisé pour mesurer, à savoir

FOMV = WA / V / F0 / Q ⑴

La formule ⑴ définit le facteur de mérite de volume d'un certain type de transducteur, où: WA est la puissance sonore (W), V est le volume du transducteur (M3), F0 est la fréquence de résonance (Hz), Q est le facteur de qualité , Le facteur de mérite de volume de l'appareil est étroitement lié à la structure et aux matériaux fonctionnels. Delany a conçu et développé un transducteur à disque incurvé compact (Bender) et a systématiquement analysé et étudié les caractéristiques de travail de la basse fréquence, de petite taille et de grande puissance de Bender.

Il existe des littératures concevant le transducteur de tension de flexion de la structure concave de type I (type de canon concave) dans une combinaison plus compacte, ce qui permet de multiples grappes de transducteur dans un volume limité pour maximiser le déplacement du volume et obtenir de grandes caractéristiques de puissance, comme le montre la figure 21, la Apex de 6 transducteurs flextenaires de type I sont regroupés pour former un transducteur floute à six dimensions à six dimensions, qui a les caractéristiques de la structure compacte, de la basse fréquence, de la haute puissance et de la large bande de fréquences: fréquence de résonance fondamentale La transmission de la transmission La réponse de tension à 1,15 kHz est de 127 dB, omnidirectionnelle et la réponse de tension de transmission de 800 Hz à 10 kHz est supérieure à 120 dB. Le paramètre FOMV n'est pas donné dans la littérature, et il devrait être équivalent ou supérieur au transducteur flextension \"en forme d'étoile.

La conception et l'analyse ci-dessus pour la poursuite de la petite taille et de la puissance élevée commencent essentiellement des limites électriques et mécaniques, et ne considérez que la densité d'énergie des matériaux fonctionnels et la limite de vibration de la structure. Lorsque le transducteur nécessite une impulsion longue ou un fonctionnement continu, la dissipation de chaleur et de chaleur du transducteur sera le plus gros problème dans des conditions de haute puissance. À l'heure actuelle, la limite thermique est le principal facteur restreignant la puissance ultime du transducteur. La limite thermique du transducteur est l'un des problèmes de base importants concernant l'ingénierie. Tout comme les détails du processus du transducteur, il n'y a pas beaucoup de documents de recherche publiquement signalés. Il existe des littératures pour modéliser et analyser les problèmes thermiques des transducteurs à basse fréquence et à haute puissance, et discuter des problèmes de conduction thermique de Janus-Helmholtz et de transducteurs flextenaires de type IV. Lorsque le transducteur travaille en eau peu profonde, en particulier la fréquence basse et la transmission élevée, l'augmentation de la puissance sonore sera également limitée par la limite acoustique du facteur de cavitation. Dans ce contexte, la méthode d'augmentation de la puissance d'un seul transducteur n'est plus efficace. Le tableau de base sera également restreint, de sorte qu'il n'y a qu'une seule façon de former un réseau de base clairsemé.

Par conséquent, lors de la conception de transducteurs à basse fréquence et haute puissance, il est nécessaire de choisir rationnellement la forme structurelle et les matériaux de fonction de conduite, en tenant compte des facteurs tels que la limite électrique, la limite mécanique, la limite thermique et la limite acoustique, et effectuer une analyse globale et une optimisation complète. Il existe une relation optimale entre la puissance limite et le volume du transducteur. Des recherches approfondies à ce sujet seront l'une des directions techniques des transducteurs à basse fréquence et haute puissance à l'avenir.

⒋ innovationchnologique pour augmenter la résistance à la pression hydrostatique

À l'heure actuelle, la communauté universitaire a proposé des idées de développement telles que les océans transparents et les océans informatisés. L'objectif est de permettre aux technologies de l'information sous-marine de couvrir tous les coins de l'océan, y compris les régions polaires et les tranchées abyssales. Par conséquent, ils proposent des exigences pour l'utilisation de transducteurs acoustiques sous-marins plus en profondeur. Même défier la capacité de travailler en mers profondes. La capacité de résistance à la pression hydrostatique du transducteur est étroitement liée à la structure du transducteur, en particulier pour les transducteurs d'émission à basse fréquence avec une faible rigidité structurelle. La résolution de la technologie de la structure de la résistance à la pression hydrostatique est devenue un sujet important dans le champ de technologie du transducteur actuel. Les méthodes et moyens efficaces actuels pour résoudre la profondeur de travail incluent principalement le remplissage du liquide, le remplissage de liquide correspondant au tube conforme, le support structurel naturel, la compensation de cylindres à gaz à haute pression, la compensation d'airbag, etc., à des profondeurs de travail supérieures à 1000 m, la seule méthode technique efficace La technologie de remplissage du liquide est-elle, y compris le type de débordement libre utilise directement de l'eau de mer comme liquide de remplissage ou remplit certains milieux d'impédance d'huile pour atteindre l'équilibre de la pression autogénique; Dans le cadre de 1000 m, le tube de conformité résistant à la pression peut être utilisé dans la cavité liquide en même temps pour améliorer la conformité de la cavité liquide; Dans les 200 mètres, le soutien naturel de la structure peut résister à la pression hydrostatique. Certains transducteurs avec une rigidité structurelle très faible (comme les transducteurs de bobines mobiles) peuvent utiliser des cylindres d'air à haute pression pour fournir une compensation de pression. Généralement, à moins de 100 m, une compensation d'airbag peut être utilisée. Le transducteur de structure de cavité introduit ci-dessus peut généralement être conçu comme un mode de travail rempli de liquide pour obtenir un travail en eau profonde. Dans cette section, plusieurs exemples d'application de conception de structure remplie d'huile sont donnés.

Kendig’S Travail de recherche publié en 1965, application combinée de 4 transducteurs longitudinaux à disque en céramique piézoélectrique PZT-4, rempli d'huile de silicone pour protéger le vide formé entre la coque en acier (y compris la plaque en caoutchouc de transmission sonore) et le transducteur La cavité est connecté avec la chambre du fluide arrière. Le caoutchouc avant perméable au son avant et la fenêtre en caoutchouc arrière sont en contact avec l'eau de mer pour obtenir un bilan de pression interne et externe. La bande passante de travail du transducteur est de 30 à 50 kHz, et le travail dans la plage de pression hydrostatique de 0 à 6,9 MPa a été étudié expérimentalement. Caractéristique, cette méthode d'équilibre de pression est toujours utilisée dans de nombreux réseaux de sonar en eau profonde. La figure 22B montre un transducteur toroïdal à débordement libre avec une structure remplie d'huile. L'anneau en céramique piézoélectrique est suspendu dans une manche en caoutchouc en polyuréthane, et l'intérieur est rempli d'huile de silicone pour atteindre l'équilibre de la pression avec le monde extérieur. Le manchon en caoutchouc de polyuréthane est un matériau de transmission sonore idéal, ce type de transducteur a des caractéristiques de travail similaires à la forme directe du revêtement de perfusion de caoutchouc en polyuréthane. Pour le tube rond PZT-4Φ150 mm× φ140 mm×50 mm, l'analyse de simulation et l'étude d'expérience du caoutchouc de polyuréthane dans la plage de fréquences de 5～10 kHz Le matériau de la manche est remplacé par un alliage de titane ou un acier. En conséquence, l'alliage de titane réduit la réponse de tension d'émission d'environ 6 dB, et l'acier réduit la réponse de tension d'émission d'environ 12 dB.

3. Conclusion

En examinant l'histoire du développement de cent ans de la technologie des transducteurs, de la naissance du premier transducteur piézoélectrique au développement vigoureux de la technologie des transducteurs modernes, les innovations technologiques dans les transducteurs acoustiques sous-marins ont fréquemment émergé. Les principaux objectifs de l'innovation et du développement de la technologie des transducteurs comprennent: la simplification des processus complexes, la rupture des goulots d'étranglement techniques, la réécriture des limites techniques, l'amélioration des performances techniques complètes, la proposition de nouveaux concepts et de nouveaux mécanismes, la génération et le développement de nouvelles directions techniques, et l'approfondissement et la perfectionnement du Théorie du système de disciplines des transducteurs, etc. Cet article présente certains cas de recherche qui reflètent la conception innovante et l'artisanat exquis du transducteur des aspects de la nouvelle application matérielle, de la structure et de la technologie du nouveau transducteur, etc.