第三讲让声纳系统耳目一新_新型水声换能器与换(2)

声纳技术及其应用专题

是声纳换能器或声纳基阵被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”.

随着声纳技术应用领域的不断扩大,军事对抗及作战需求的日益提高,新原理、新技术、新型声纳设备纷纷涌现,层出不穷.新型声纳技术的发展要求带动了换能器技术的飞速发展,同样换能器领域的技术突破和新材料、新机理、新结构换能器的发展,也让声纳系统“耳目一新”.在此就笔者所掌握的资料和有限的理解水平简要综述一下换能器技术近些年的发展状况,主要包括新材料水声换能器、新机理水声换能器、新型水听器技术术等等.

上述材料作简单的比较:Terfenol-D,PMN-PT,PZN-PT可产生的应变约是PZT-8的5倍,是镍的50倍;PMN-PT,PZN-PT的压电常数d33是PZT-8的6—8倍.利用这些新材料来研制新型水声换能器是当前的热门课题之一.

2.1　,主要用来研制低频.先介绍一种“复杂”结构的—高温超导磁致伸缩水声换能器,如图1所示.单从换能器结构形式上讲,其结构很简单,为普通的双辐射头纵向换能器.这里所谓的“复杂”是指它丰富的物理内涵.

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2　换能器是声纳系统中实现能量转换的器件.在换能器中,有一种特殊的材料具有能量转换的本领,这种材料叫做功能材料.用来制作换能器的功能材料主要包括压电材料(如压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物等)和磁致伸缩材料(如镍、钴、镍铁合金、铁氧体、稀土铁合金等),它们分别利用压电效应和磁致伸缩效应实现电场能或磁场能与机械能之间的相互转换.换能器技术的突破根本上决定于功能材料的技术突破.近些年功能材料领域取得了方方面面的技术成就,也给换能器技术的发展带来了曙光.1963年,美国的Clark博士发现镧系稀土材料有惊人的磁致伸缩特性,但由于居里点低于室温而没有得到实际应用.后来人们发现稀土元素和铁等组成二元、三元或四元合金在室温下也具有超磁致伸缩特性,其中最具代表性的稀土合金是Terfenol-D(组分为Tb0.27Dy0.73Fe1.95),它已成为20世纪80年代以来倍受关注的新型功能材料.弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(简称PMN-PT)和铌锌酸铅-钛酸铅(简称PZN-PT),是新型的复合钙钛矿型晶体材料,也是异军突起的一类很有应用前景的新型功能材料.在此之前,换能器材料曾经普遍使用过镍,1917年,法国科学家朗之万用石英晶体制造了声纳

图1　高温超导磁致伸缩换能器

稀土合金材料在低温条件下的磁致伸缩本领比室温

条件下更大,如77K温度下Tb0.6Dy0.4材料的磁致伸缩应变最高值为0.65%,而Terfenol-D在室温条件下磁致伸缩应变最高值为0.25%.文献[1]研制了50—60K温度范围的Tb0.6Dy0.4材料磁致伸缩水声换能器:稀土合金棒状材料置于冷气室内,由制冷器的冷却塔循环制冷,冷气室内由超导材料线圈提供直流偏磁场和激发磁场,激发磁致伸缩棒产生伸缩振动并通过机械过渡件传递到活塞式辐射面,活塞式辐射面推动水介质产生压力波辐射出去.在结构中设计了真空腔,目的是隔绝热传导,真空腔外壁是穹形耐压罩,能承受10个大气压的压力.主要技术参数如下:谐振频率430Hz,最大声源级181.4dB,效率约为25%.这种换能器制作工艺复杂,近

换能器,开创了压电材料在声纳上应用的先例;20世纪40年代,具有较强压电性能的BaTiO3陶瓷研制成功,在第二次世界大战期间被广泛用于声纳系统;50年代发展起来的PZT压电陶瓷,以其较宽的工作温度范围和优良的机电转换效率弥补了Ba2TiO3陶瓷的不足,一度成为水声换能器的首选材料,其中高能量密度的压电陶瓷材料是PZT-8.对

些年人们还是愿意采用室温条件工作的Terfenol-D材料,舍弃一些磁致伸缩应变,而代之以新结构形式实现优良的辐射性能.下面简要介绍几种结构磁致伸缩材料水声换能器(见图2)方面的研究进展.

纵向换能器结构简单,磁致伸缩棒与前辐射头

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　35卷(2006年)5期　　　　　　　　　　　　　http:ΠΠ