Progrès de la recherche et possibilités de développement de la technologie des transducteurs acoustiques sous-marins

Les ondes acoustiques sont considérées comme le seul transporteur d'information qui peut parcourir de longues distances dans l'océan. La recherche maritime, le développement des ressources et les luttes militaires maritimes sont toutes inséparables de la technologie acoustique sous-marine. Le développement de la technologie hydroacoustique nécessite divers types de transducteurs hydroacoustiques pour fournir un soutien, et la mission des transducteurs hydroacoustiques est de transmettre et de recevoir des ondes sonores sous-marine, de sorte que les transducteurs hydroacoustiques sont connus comme les \"les yeux et les oreilles de l'équipement hydroacoustique. Les transducteurs comprennent principalement l'application de nouveaux matériaux, l'adoption de nouveaux processus et la conception de nouvelles structures pour réaliser l'amélioration et l'amélioration des performances techniques complètes du transducteur. La demande urgente du domaine de la technologie hydroacoustique est le développement direct du développement du développement du développement direct du développement du développement direct du développement du développement direct du développement du développement direct du développement du développement direct du développement du développement direct du développement du développement direct de Transdurs hydroacoustiques. Power. Cet article se concentre sur les résultats de la recherche domestique des transducteurs acoustiques sous-marins au cours des 20 dernières années, comprenant principalement de nouveaux développements dans les transducteurs à basse fréquence, les transducteurs à large bande à haute fréquence, L'analyse et le résumé, combinés avec m Y Country Marine Technology Development Strategy and Situation, discutez brièvement des défis et des opportunités de développement auxquelles sont confrontés la technologie acoustique acoustique sous-marine actuelle.

Latransducteur acoustique sous-marinest un type de capteur qui réalise la conversion du son et d'autres formes d'énergie ou d'informations dans le milieu d'eau; Le transducteur acoustique sous-marin est l'équipement frontal du système de sonar, et c'est aussi l'interaction entre le système de sonar et le milieu d'eau pour échanger des informations. Window \". Le domaine de la recherche et du développement de la technologie des transducteurs acoustiques sous-marins implique l'intégration de plusieurs disciplines, et les disciplines étroitement liées incluent principalement: la physique, la science des matériaux, les mathématiques, la mécanique, l'électronique, la chimie, la mécanique, etc. Développement de transducteurs acoustiques sous-marins. D'après les exigences d'application dans le domaine de la technologie hydroacoustique, mais jusqu'à la fin du 20e siècle, le développement de la technologie des transducteurs hydroacoustiques de mon pays manquait de nature globale et systématique.

1.1 Progrès de la recherche de transducteurs à basse fréquence

En réponse aux besoins urgents de la transmission d'informations sous-marines à ultra-longueur et au développement de la détection sous-marin ultra-furtière, les transducteurs à basse fréquence sont devenus l'un des points chauds les plus concernés dans le domaine des transducteurs acoustiques sous-marins depuis le 21e siècle. La bande de fréquences de travail du sonar de détection et de communication ultra-longue étranger a été réduite à environ 100 Hz. Les transducteurs à basse fréquence impliquent de nombreux problèmes théoriques et techniques, qui n'ont pas été bien résolus à l'heure actuelle, et cet aspect sera toujours le hotspot de recherche et l'attention de l'attention dans le développement futur. Cette section sélectionne les travaux de recherche des transducteurs à basse fréquence des vibrations de flexion et des transducteurs à tension à la flexion et résume les nouvelles réalisations technologiques.

1.1.1 Transducteur à basse fréquence des vibrations à basse

Le premier problème technique rencontré par le développement de transducteurs sous-marins 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 que plus la fréquence du transducteur est faible, plus la taille géométrique sera grande. Les vibrations peuvent réduire efficacement la taille géométrique des transducteurs à basse fréquence. Les nouveaux conceptions de transducteurs de vibrations à basse fréquence en Chine au cours des 20 dernières années comprennent principalement les transducteurs de faisceaux incurvés et les transducteurs à disque incurvé.

(1) Transducteur de faisceau de flexion. Concevoir un transducteur de transmetteur à large bande de faisceau en porte-à-faux cylindrique (figure 1A). La conception de la structure combine les caractéristiques de la faible fréquence modale des vibrations de flexion et la méthode de couplage de vibrations multimodales pour élargir la bande de fréquences. Chai Yong et al. Il est proposé un transducteur de cycle de couplage à faisceau de tube (figure 1b). En ajoutant un faisceau incurvé au transducteur en forme d'anneau incrusté pour former une structure de couplage de faisceau de tube, le mode de travail effectif est augmenté. Utilisez un couplage multimode pour obtenir des caractéristiques de fonctionnement à basse fréquence et à large bande. La structure de débordement est adoptée et sa capacité à résister à la pression hydrostatique a été vérifiée par l'application réelle de la norme submersible de 3 000 m profonde. Xu et al. deux schémas de conception proposés pourTransducteurs cylindriques à basse fréquence(Figure 1C et D), a mené une série de simulations et a donné les courbes de réponse aux émissions entraînées par les nouveaux matériaux magnétostrictifs Terfenol-D et Galfenol. Il démontre le potentiel de la structure du transducteur pour les applications de fréquence ultra-bas.

(3) transducteur de disque plié. Le transducteur à disque incurvé comprend des structures à trois piles à double pile, etc. La figure 2A montre un transducteur à disque incurvé compact composé d'une paire de doubles laminations. Les travaux de recherche étrangers sont relativement matures. Il est effectué des recherches approfondies sur cette structure de base du transducteur à disque incurvé. À partir de cette structure de base, en concevant la chambre liquide et en améliorant le mode de conduite, de nouveaux designs ont été produits]. La figure 2B est un transducteur à disque incurvé entraîné par un cycle mosaïque. La conception de la figure 2C utilise des transducteurs de disque incurvé de différentes tailles pour former une matrice et utilise différentes méthodes de conduite pour obtenir un fonctionnement à large bande. La figure 2D est un transducteur à disque incurvé avec une structure de cavité de débordement. La taille de la cavité liquide est correctement ajustée dans la conception pour répondre aux exigences de performance acoustique. Il s'agit d'un transducteur à disque incurvé entraîné par Galfenol, qui utilise une structure similaire à un transducteur longitudinal pour exciter la vibration de flexion du rayonnement avant rayonnant

Figure 2 Nouveau conception du transducteur à basse fréquence avec disque incurvé

1.1.2 Transducteur flextenaire

Le concept du transducteur flextenaire a commencé à partir du brevet de Hayes en 1936. Le mode de travail de base est qu'un ou plusieurs vibrateurs télescopiques entraînent la coquille de vibration de flexion pour générer un rayonnement sonore à basse fréquence. La recherche et l'application de transducteurs flxtension dans mon pays sont actives depuis la fin du 20e siècle. Les chercheurs ont conçu des transducteurs flextenaires avec diverses structures. Selon la méthode de la structure et de l'excitation, les transducteurs flextenaires sont divisés en trois catégories. Cette méthode de classification est utilisée ici pour introduire séparément.

(2) 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. La coquille vibrante du transducteur est une structure de translation, c'est-à-dire une coquille cylindrique de diverses formes, qui est entraînée par un ou plusieurs vibrateurs télescopiques longitudinaux. Y compris le transducteur flextenaire de type IV et sa structure de déformation, le transducteur flextenaire de type VII, le transducteur flextension quadrilatère, etc. La figure 3A est une structure de transducteur flytalaire de type IV typique. Le transducteur flextenaire de type IV entraîné par un matériau PMNT monocristallant ferroélectrique relaxor a été développé. Le transducteur flextenaire de type IV entraîné par le matériau magnétostrictif géant de la Terre rare Terfenol-D a été développé. La figure 3B est la nouvelle conception du transducteur flextenaire de type VII, qui est entraîné par le matériau magnétostrictif géant des terres rares terfenol-d. La méthode d'excitation est conçue dans la partie la plus large de la dimension transversale, et une paire de vibrateurs parallèles est conçu pour donner un aperçu approfondi de ce type de transducteur. La série de recherches comprend l'analyse de la conception de la précontrainte, la modélisation théorique, l'analyse modale, la recherche expérimentale, etc. La figure 3C est une nouvelle conception améliorée du transducteur flextenaire de type IV, ce qui est similaire à l'amélioration de la conception du transducteur flextenaire de type I au type II transducteur flextenaire, en utilisant une structure de coquille elliptique avec un axe long allongé, le transducteur qu'il est entraîné par le matériau monocristallant ferroélectrique relaxor PMNT, qui a de meilleures caractéristiques de fonctionnement à large bande que le transducteur flextenaire de type IV général. La figure 3D est la première conception la plus ancienne pour améliorer le transducteur FLOXtendal de type IV en Chine - le transducteur Flextensional de type Fish-LIP, qui utilise une coque elliptique à hauteur variable et utilise le tracteur Terfenol-d de la Terre-Magnétostrictive de Terre Rare Earth Shell a un effet de bras de levier et un effet à double amplification hautement pondéré. À l'heure actuelle, le transducteur flextenaire du poisson terfenol-d a été sérialisé et conçu dans une structure à double coquille pour augmenter davantage la puissance de transmission. La puissance sonore maximale d'un seul transducteur peut atteindre 10 000 watts, ce qui en fait un transducteur de transmission de haute puissance à basse fréquence national l'un des types de base. La figure 3E est un transducteur flytendal quadrilatéral d'excitation orthogonal, qui adopte une amélioration de la conception compacte, qui peut ajouter plus de matériaux fonctionnels dans un volume limité et améliorer le niveau de source sonore d'émission. La figure 3F est une autre nouvelle conception améliorée du transducteur flextenaire de type IV, semblable à l'amélioration de la conception du transducteur flextenaire de type I au transducteur flextenaire de type III, qui utilise deux coquilles elliptiques en série le long de la direction à axe long dans son ensemble, une plus longue La pile piézoélectrique est utilisée pour exciter, de sorte que la fréquence de résonance du vibrateur longitudinal est réduite et proche du mode de fréquence fondamental de la coquille de flexion, qui est propice à un couplage modal pour atteindre les caractéristiques de fonctionnement à large bande. La figure 3G est une nouvelle conception améliorée pour le vibrateur d'excitation du transducteur flextenaire de type IV. Il s'agit d'un transducteur flextenaire de type IV entraîné par le vibrateur de pliage. Cette structure combinée à un matériau de logement à faible rigidité peut réduire efficacement la fréquence de résonance.

Figure 3 Transducteur de tension de flexion avec structure de colonne

Il est également connu sous le nom de transducteur flytenaire de type gourde. Il est étudié le transducteur flextenaire de type gourde entraîné par PZT et PZT + Terfenol-D. , L'analyse de simulation des paramètres caractéristiques des émissions de l'excitation conjointe est effectuée. La figure 4C est un transducteur de tension flexible à tube concave excité par une combinaison magnétostriction-piézoélectrique. Dans la conception, deux éléments d'excitation, Terfenol-D et PZT, sont utilisés pour former un vibrateur longitudinal composite. La figure 4D montre le transducteur flextenaire concave-cylindre. Il est excité par la pile multi-piézoélectrique. Sous la prémisse que la coquille reste inchangée et que le volume total du matériau en céramique piézoélectrique est le même, l'analyse de différents nombres (1-4) Piezoelectric Stack Drives pour l'impact sur les performances du transducteur, une flexion à tube concave Le transducteur de tension excité par une pile piézoélectrique a été conçu et développé.

Figure 4 Transducteur de tension de flexion rotatif de type long

Transducteur de tension de flexion rotatif de type plat. Ce type de transducteur est entraîné par un vibrateur radialement en expansion pour entraîner une coque de vibration de flexion symétrique en rotation. La coquille vibrante du transducteur est une structure symétrique en rotation, généralement une paire de capuchons sphériques convexes ou concaves (ou caps sphériques) ou il est composé d'un disque, etc., entraîné par un anneau ou un vibrateur de disque radialement en expansion, y compris V- Transducteur de tension flexible en forme, transducteur de tension flexible en forme de VI, transducteur de tension flexible en forme de disque, etc., introduit ici, transducteur flextal de type V-Type V. La figure 5A est un transducteur flextenaire en forme de V de petite taille. Une paire de capuchons d'extrémité métallique est entraîné par un disque en céramique piézoélectrique qui vibre radialement pour produire des vibrations de flexion; La figure 5B est un transducteur flextenaire en forme de disque, qui utilise pzt- dans la conception. 4 L'anneau en céramique piézoélectrique radialement polarisé entraîne le disque incurvé. Le disque est divisé en 16 secteurs égaux le long de la fente radiale pour réduire le couplage des vibrations latérales. Les transducteurs flextenaires de ces deux formes structurelles ont les caractéristiques d'une faible fréquence de résonance, d'une petite taille géométrique et d'une efficacité électroacoustique élevée.

Figure 5 Transducteur de tension de flexion en rotation de type plat

1.2 Progrès de la recherche de transducteurs à large bande à haute fréquence

En plus de la distance de détection comme indicateur important de l'équipement acoustique sous-marin, une autre direction de développement consiste à obtenir la quantité maximale d'informations cibles comme objectif principal. Par exemple, le sonar d'image haute résolution, la communication acoustique sous-marine à taux élevé, etc. Il nécessite un fonctionnement en mode haute fréquence, et la bande de fréquences de travail est aussi large que possible. Par conséquent, le transducteur acoustique à large bande à haute fréquence est devenu un élément clé du système, similaire à l'optique. L'objectif du système d'imagerie est le même.

La figure 6a est untransducteur haut débit haute fréquenceavec colonne en céramique piézoélectrique et couche correspondante. Le rapport de l'espacement en céramique piézoélectrique à la taille de la céramique et l'effet des matériaux de remplissage sur la bande passante sont étudiés. Le transducteur à large bande haute fréquence de couche à double correspondance conçu sur la figure 6B utilise des colonnes en céramique piézoélectrique pour former un tableau, puis ajoute une structure de couche à double correspondance de la couche métallique et du matériau composite de résine pour obtenir des performances d'émission acoustique haut débit haute fréquence. La figure 6C montre le transducteur à large bande à haute fréquence composite 1-1-3 conçu, qui se compose de piliers piézoélectriques connectés connectés en 1 dimension et de piliers métalliques connectés en 1 dimension disposés en parallèle dans une matrice polymère connectée en trois dimensions. Le matériau composite piézoélectrique triphasé est formé, et le transducteur de transmission haut débit haute fréquence a été développé. La figure 6D montre le transducteur à large bande à haute fréquence composite 1-3 conçu, qui utilise l'effet de couplage du mode de vibration d'épaisseur et le mode de vibration transversale de premier ordre pour réaliser les caractéristiques de fonctionnement à large bande. La figure 6E montre le transducteur à large bande à bague à haute fréquence à haute fréquence conçue. L'anneau composite piézoélectrique est obtenu en coupant radialement l'anneau en céramique piézoélectrique et en versant de la résine époxy. Ensuite, deux anneaux composites piézoélectriques avec différentes épaisseurs de paroi sont obtenus. L'anneau composite est superposé pour former un transducteur à double résonance radialement rayonnant.

Figure 6 Transducteur haut débit haute fréquence