שימוש ב-Gatesive Transducers ניווט סונר ומותפל

עולם הנסתר של משככי-חיים תת-קרקעיים

מתחת לפני השטח של האוקיינוס, הצליל הוא האמצעי העיקרי לחישה, תקשורת וניווט.בניגוד גלי רדיו או אור, אותות אקוסטיים לנוע ביעילות דרך מים, מה שהופך את הנדר (Soundניווט ו Ranging) הכרחי עבור פעולות ימיות.לב של כל מערכת Sonar הוא טרנסנפורטר, מכשיר שממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה אקוסטית ולהיפך.

מה הם טרנספורטורים מגבילים?

טרנספורמטיביים הם מכשירים אלקטרו-מכאיים המנצלים את אפקט ה-FLT:0magnetostrictive EffectFLT:1Hz כדי ליצור ולקבל אולטרסאונד.מגנט הוא נכס של חומרים ferroמגנטיים ופריגנטיים שגורמים להם לשנות צורה או ממדים בתגובה לשדה מגנטי מוחלש.

התופעה נצפו לראשונה על ידי ג'יימס ג'ול בשנת 1842 ניקל טהור ולאחר מכן מתכות אחרות ⁇ . ⁇ מוקדם מגנטים מגבילים המשמשים גליונות ניקל היו נפוצים במערך Sonar במהלך אמצע המאה ה -20. בעוד שמרביתם נמנו על ידי קרמיקה אדזואלקטרית ביישומים מסוימים של צרכנים, טכנולוגיה מגנטית כבר ראתה חידוש עם התפתחות של חומרים מתקדמים כמו טרנפול, אשר גודל גדול יותר מאשר גודל מגנטי טהור של כוח.

חומרים מגנטיים מרכזיים

הביצועים של עובר מגנטי מגבילים תלוי באופן ביקורתי בחומר הפעיל.המכשירים המודרניים משתמשים בסגסוגת ממונדסת עם לחץ מגנטי גבוה ויעילות:

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0Galfenol:FLT:1 סגסוגת של גליון וברזל (FeGa) הוא משלב מגנטיות גבוהה (עד 400 ppm) עם דוקטריות מכנית מעולה ונוקשות.בניגוד Terfenol-D, Galfenol ניתן למכונה לצורות מורכבות והוא עמיד יותר לזעזוע ולרטט, מה שהופך אותו מתאים ליישומים משובצים וחזקים מתחת למים.
(FLT:0)Ferrites ומשקפיים מתכתיים: OVAFLT:1) חומרים אלה משמשים יישומים בעוצמה נמוכה יותר שבו עלות או תכונות תדר ספציפיות הם סדרי עדיפויות. משקפי מתכת, למשל, להציג חוסר יכולת גבוהה והפסדים נמוכים של הדיוי הנוכחי, מה שהופך אותם יעילים בתדרים גבוהים יותר.

עקרונות מבצע: מסימן חשמל ועד לגל אקוסטי

הבנת כיצד עובר מגנטי מגביל פועל דורש בדיקת שרשרת המרה: קלט חשמלי › מתח מכני להפקת אקוסטית.

הנהג מכניזם

זרם משתנה (AC) עובר דרך פצע סביב הליבה של חומר מגנטית. coil זה מייצר שדה מגנטי קבוע של זמן-מחדש כי מיישר ודומיינים מגנטיים אמיתיים בתוך החומר. כמו התחומים לסובב וקירות לנוע, אותות גבישיים קבוע של השדה הזה מעוות, ומייצר שינוי מקרוסקופי באורך.

Resonance ו- Acous Coupling

העברת אנרגיה מקסימלית מתרחשת כאשר transducer פועל בתדירות ההתחדשות המכנית שלה, נקבע על ידי הגיאומטריה והחומרים של האלמנט המגנטי המוגבל. at resonance, amplitude הוא מוגבר, ואת transducer יכול לשדר רמות כוח גבוהות עם קלט חשמלי נמוך יחסית.האלמנטים רוטט הוא בשילוב מים באמצעות רדיור, בדרך כלל מתכת או לעשות, כי זה מתאים לתוך זרם אנרגיה יעיל של חומר זה, במקום זה הוא מתאים את זה.

המונחים: mode

כאשר גל אקוסטי נכנס מכה את ה- transducer, הוא חל לחץ על הליבה המגנטית של הליבה מגנטית מגבילה.לחץ מכני זה גורם שינוי בשטף מגנטי בתוך החומר (אפקט מגנטי הפוך, הידוע גם בשם אפקט Villari effect) שפעת המשתנה מייצר מתח מעבר לחול, אשר הוא מוגדל ומעובד על ידי מערכת Sonar.

המונחים: a magnetostrictive Transducer

עובר מגנטית בעלת ביצועים אופייניים עבור סונר מורכב ממספר מערכות משנה מעוצבות בקפידה לעבוד יחד:

(FLT:0 Magnetostrictive Core:FLT:1 The Active Element, בדרך כלל מוט או ערימה של ממלכות שנעשו על ידי Terfenol-D, Galfenol, או סגסוגת קניינית אחרת. Laminations להפחית את ההפסדים הנוכחיים של די בתדרים גבוהים יותר.
(FLT:0)Drive Coil:FLT:1; A multiturn Winding of נחושת (או לפעמים litz חוט למזער את השפעות העור) הנושא את אות החשמל AC.ה סליל נועד למקסם את הכוח המגנטי החל הליבה תוך צמצום חימום התנגדות.
(FLT:0) האסיפה המגנטית של מגנטים: FLT:1 מגנטים קבועים (למשל, ניאודימיום-ברזל-בורון) או אלקטרומגנט המספק שדה מגנטי סטטי מתפורר.
(FLT:0) מכניזם טרום-Stress Mechanism:BuildFLT 1 A Spring or דחיסה ברצועה החל מתח דחוס סטטי לליבת.זה מיישר את התחומים המגנטיים לכיוון השדה המניע בחומרים כמו Terfenol-D, להגדיל באופן משמעותי את הלחץ המוגבל תחת כונן AC.
(ב) ⁇ :0 (הנקרא ⁇ ) ⁇ (מפרק ⁇ ) 1:1 A מסה ראש או diaphragm אשר משדרת רטטים למים לעתים קרובות עשוי אלומיניום, טיטניום, או משווקים מיוחדים כדי לספק התנגדות קורוזיה והתאמה יעילה של מוטציות.
(FLT:0)Tail Mass andשיכון:FLT:1 A Heavy back Mass (בדרך כלל פלדה או tungsten) העוגן את התנועה ומתמקדת ברטטה קדימה לקראת הרדיור.הדיור הוא חתומה באופן מטמטי כדי להגן על רכיבים פנימיים מלחץ מים ים וקורוזיון.
(FLT:0) האכלה אלקטרונית וחיבור: ההרחבה 1 (FLT:1) מספקת ממשק חשמלי בלחץ הילוך בין הנגר לבין כבל השף.

טכניקות בנייה מתקדמות

כמרים מודרניים משתמשים לעתים קרובות ערימה של laminations טרנפול-D נקשר עם דבקים גבוהים סטרנגים.הלמונים נחתכים בזווית מסוימת לאקסקסים הקריסטלגרפיים כדי לייעל את התגובה המגנטית. ייצור Precision נדרש לשמור על סובלנות הדוקה על הפערים בתוך המעגל המגנטי, כמו כל אי-השמדה להפחית את היעילות והתפוקה.

טרנספורטוגים מגנטיים משמשים על פני ספקטרום רחב של מערכות אקוסטיות תת-ימיות, מנבינר מעקב נמוך טווח, ארוכי מעקב לטווח ארוך ועד לנרמי הדמיה גבוהים עבור פיקוח תת-ימי.

מערכות ניווט ימיים

כלי שיט מסחריים וצבאיים מסתמכים על סונר לצליל מעמיק (דברים), הימנעות ממכשולים, ומעמידים מתחת למים. transducive Transducers תומכים במערכות אלה על יכולתם לספק דופקים נקיים, גבוהים בעוצמה גבוהה בתדרים יציבים. לדוגמה, עומס ניווט פועל ב 12 kHz משתמש טרנסדוקטיבי מגנטי כדי לשלוח aicam to the Sea, משקף את הזמן כדי לעמוד מול הזעזועים האלה.

שם הסרטון: Sonar Arrays

צוללות מודרניות להשתמש במערךי ממזר גדולים עבור זיהוי הקשבה פאסיבי ומטרות פעיל. ⁇ Active מקיפים את ה-מגנטים המוגבלים כדי ליצור דופקים חזקים שיכולים לנסוע עשרות קילומטרים. Terfenol-D transducators מוערכים במיוחד בתפקיד זה כי הם יכולים לייצר רמות כוח אקוסטיות גבוהות מאוד הדרושות עבור סונר פעיל ללא הסיכונים הקשורים ל- מחסנים גבוהים.

מכשירים תקשורתיים

מודמים אקוסטיים מתחת למים משתמשים ב-Transducers כדי לקוד נתונים דיגיטליים על נושאים אקוסטיים להעברת בין חיישנים תת-ימיים, ROVs (כלי רכב מופעלים על פני השטח) ו-משטחי פני השטח מציעים רוחב פס רחב ותגובה בתדר שטוח בטווח 10-50 k, מה שהופך אותם מתאימים לתקשורת גבוהה-נת-נתב.

Oceanographic Research Instruments

מכשירים מדעיים כמו Acoustic Doppler הנוכחי פרופילrs (ADCPs), פרופילים תת- ⁇ , ו-side-scan Sonars להסתמך על דבורים אקוסטיות מבוקרות בדיוק. ADCPs להשתמש במערךים של טרנספורצים כדי למדוד את המהירות הנוכחית במים במעמקים שונים על ידי זיהוי משמרת דופלר של גב הרץ מ חלקיקים במים.

תעשייה והגנה סונר

מערכות חיפוש והצלה, ממזרי גילוי שלי, ומערךי מלחמה נגד-סובמרניים צבאיים משתמשים בכל רחבי התחזיות בעוצמה גבוהה יותר.העמידות של מכשירים מגנטיים היא יתרון מרכזי ביישומים ימיים שבהם אמינות מבצעית היא קריטית.הם יכולים להיות מונעים במחזורי חובה גבוהים יותר ויותר מטווחי טמפרטורה רחב יותר מאשר הרבה מקבילות אדזואלקטריות ללא דהפולציה או אובדן.

יתרונות בטכנולוגיות טרנספורמטריות אחרות

בעוד ש-PZT ( ⁇ electricקרמיקה טרנספורמטיבית) שולט ביישומים רבים של יונקים, טרנסנפורמטיביים מציעים יתרונות נפרדים בתפקידים ספציפיים:

כוח גבוה וארוכות

חומרים מגנטיים אינם מפולנים, אפילו בתנאים קיצוניים של נהיגה.קרמיקה Piezoelectric יכול לאבד את הקיטוב אם נתון לטמפרטורות גבוהות, שדות חשמליים חזקים, או זעזועים מכניים, המוביל לאובדן קבוע של ביצועים.חומרים מגנטיים, לעומת זאת, הם חזקים מטבעם. Terfenol-D יכול לפעול באופן קבוע בטמפרטורות עד 100 מעלות צלזיוס ויכולים לעמוד בפני ספייקטים תרמיים ללא נזק.

עיכוב נמוך וצעד נוכחי גבוה

טרנספורטרנטים מגנטיים הם מכשירים בעלי השפעה נמוכה (בדרך כלל כמה אומות) והם מונעים על ידי זרמים גבוהים במתחים נמוכים.זה יתרון במערכות המופעלות על סוללות (למשל, כלי רכב אוטונומיים מתחת למים) שבו אלקטרוניקה גבוהה מתח הם בלתי רצוי.הכונן אלקטרוניקה הם פשוטים ויעילים יותר מאשר ממיר DC-to-AC גבוה הדרושים עבור טרמפגניאזואלקטריים.

Broad Bandwidth and Fast Response

מכיוון שלחומרים מגנטיים יש Q מכני נמוך וניתן לחבק ביעילות, ניתן לתכנן טרנסדוקנטים על מנת לפעול על פני טווח תדר רחב.זה יקר עבור יישומים הדורשים תדרים מרובים, כגון סוודרים צ'יפפים שמקיפים את הלהקה כדי להשיג רזולוציה גבוהה. טרנפול-D טרנסנפורצים יכולים לעבור בין שיאי החזרה במהירות, המאפשרים מהירות של תדר מהיר לתקשורת מאובטחת.

התנגדות ללחץ הידרוסטטי

ניתן לבנות טרנסנדנטים מגנטיים ללא חללים גדולים או דיפרגמות גמישות המתמוטטות בלחץ עמוק בים.על ידי שימוש בליבות מגנטיות מוצקות ודיור חזקים, הם יכולים לפעול בעומק האוקיינוס מעל 6,000 מטרים ללא השפלה ביצועים.זהו יתרון קריטי למחקרים עמוקים-אוקיינוסיים וצוללות צבאיות מתחת לקומפלקס.

תגובה נמוכה ופירוק נמוך

כאשר הם מוטים כראוי, transducers מגנטית להראות עיוות הרמוני נמוך מאוד בהשוואה למכשירים ⁇ electric.זה חשוב עבור יישומים הדורשים גוונים סינוסים טהורים, כגון תקני מדידה אקוסטיים וסוגים מסוימים של בונאר parametric.

אתגרים ופיתוח עתידי

למרות החוזקות שלהם, טרנסים מגנטיים עומדים בפני מכשולים טכניים וכלכליים המגדירים את אימוץם בשווקים מסוימים.הבנת אתגרים אלה היא המפתח להעריך את הכיוון של המחקר הנוכחי.

גודל ומשקל קונורינטים

טרנספורמטיבי מגנטי הם בדרך כלל כבדים יותר ויותר פיזית גדול מאשר מקביל כוח ⁇ חשמלי טרנסדוקטריים.העיגול המגנטי כולל קטבים מגנטיים כבדים, מגנטיות הטיה, ואלמנטים טרום-מתח מבניים שמוסיפים את הרוב.עבור יישומים שבהם החלל נמצא בקרן, כגון ב AUVs קטנים או לערכים נשואים, זה יכול להיות מחזרת התפתחויות עתידיות במטרה להפחית את המשקל באמצעות שימוש בהיר יותר של חומרים מגנטיים (כמו מגנטיים) עם עיצובים מגנטיים).

אנרגיה וניהול

הכונן coils ב- מגנטים transducers dissipate חום בשל הפסדים הומאמיים. במבצע מתמשך בעוצמה גבוהה, חום זה חייב להיות הוסר כדי למנוע את ההשפלה או נזק.ערוצי קירור או כיור חום פסיבי להוסיף מורכבות.מחקר הוא לחקור את השימוש של טמפרטורות גבוהות מוליכים למחצה כדי לחסל הפסדים התנגדות, אם כי מערכות כאלה דורשות קריירה, אשר הוא לא מעשי עבור גישות מתקדמות יותר.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

Terfenol-D יקר לייצר והוא שופע מטבעו, מה שהופך אותו נוטה לפצח תחת לחץ רבילי אם לא כראוי pre-stressed. זה כיירות מגביל את עיצוב latitude ולהגדיל את עלויות הייצור. Galfenol מתייחס כמה מן הבעיות האלה אבל מציע הגבלות מגנטיות נמוכות יותר.חומרים עתידיים מחקר חומרים המאפשרים התפתחות של סגסוגת "כבדות גבוהה, קשיחות גבוהה" המשלבת את התכונות הטובות ביותר של ייצור בלתי אפשרי (3D) הוא גם לייצר חומרים מורכבים של חומרים מגנטיים עשוי להיות ממתכת.

מינוף מגנטי ומגן

שדות מגנטיים חזקים שנוצרו על ידי סלילי כונן יכולים להפריע אלקטרוניקה בקרבת מקום, כגון הידרופוניטרמפטורים או חיישני ניווט.מגן מגנטי יעיל מוסיף משקל ועלויות.עבודה חדשה מתמקדת בטכניקות ביטול פעיל והשימוש בעיצובים "עיגול מגנטי פתוח" שבו השדה משוטט מצטמצם על ידי אופטימיזציה גיאומטריה זהירה.

טכנולוגיות מתפתחות ודרכים מחקר

כמה דרכים מבטיחות נרדפות כדי להרחיב את היכולות של טרנסנפורמטיבי עבור מערכות תת-קרקעיות הדור הבא:

(FLT:0 Magnetoelectric Composites:FearLT:1 ; מבנים שכבתיים המשלבים שלבים מגנטיים ו- ⁇ electric. אלה מורכבים מציעים חסכוניים ענקיים של מגנטים הפיכה, המאפשר סוגים חדשים של חיישנים שדה מגנטי רגיש מאוד קצירי אנרגיה שיכולים לכפות רשתות חיישן תת-קרקעי אוטונומיות.
(FLT:0) בקרת מזון קולקטיבית:FLT:1 שימוש במדידת זמן אמת של המדינה המכנית של טרנספר כדי להתאים את אות הנהיגה.זה יכול לינארי את התגובה, לבטל הרמוניות, ואפילו להרחיב את רוחב הפס האפקטיבי מעבר לריסוס הטבעי של החומר.
(FLT:0Wide Bandgap Power Electronics: FIRLT:1) Using GaN (gallium nitride) או SiC (silicon carbide) החלפת מכשירים במגבר הכונן יכול להגדיל את היעילות של הכונן הנוכחי להפחית את גודל שלב הכוח, מה שהופך את מערכת Sonar הכוללת קומפקטי יותר.
(FLT:0) עיצובים בהשראת ביולוגיה: FIRLT:1) חקר המבנים של דולפינים ולווייתנים, אשר משתמשים ביו-נדר רב-תכליתי, עשויים לעורר השראה גיאמטריה חדשנית טרנספורקס אשר משיגה יעילות גבוהה על פני טווח תדר רחב ללא עונשי הגודל של עיצובים עכשוויים.

מסקנה: The Enduring Role of magnetostricters

טרנספורטרנטים מגנטיים הם טכנולוגיה בוגרת אך מתפתחת, שעדיין חיונית לניווט מודרני ולניווט תת-ימי, השילוב הייחודי של טיפול באנרגיה גבוהה, עמידות תחת לחץ, תגובה ליניארית, וחוסנות חומרית מבטיחה שהם ימשיכו להיות הטרנסנדנטלית של בחירה עבור יישומים תחת אטומים חזקים יותר, בעוד אתגרים כגון גודל, עלות וניהול תרמי נמשכים בחומרים מדעיים - ממכשירים משופרים משופרים של מגנטים ועד לכדי פיתוח, וחידושים של מערכות הגנה מגנטיות, וחידושים, יהפכו למגנטיות, אך ורק למגנטיות מורכבות יותר ויותר, וחידושים חשובים יותר ויותר, כדי לפתח את תפקודם של מערכות הגנה מגנטיות.

(ב) לקריאה נוספת על המצע התיאורטי של מגנטיות, להתייעץ עם הסקירה המפולגת של מגנטיות (FLT:0.0.8.04) חומרים פעילים של מגנטים וחומרים פעילים (FLT:1 ), מפרטים מפורטים של תקני הטבע הימיים ניתן למצוא ב-FLT:2IEEE הנדסת מינרלים חומרים הנדסת מגנטיים ו- 3FLTN) ולבסוף פיתוח גלנפול עבור טרנסדוקנטים מעשיים מתועדו על ידי חוקרים ב-FSLT5nFRE (המעבדהמעבדהחומרים של מחקר קונסולריים: 7)