《声纳材料》PPT课件.ppt

《《声纳材料》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《声纳材料》PPT课件.ppt（47页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、声纳材料,一.概述,海洋是人类生命的摇篮生命的源泉，生命的起源，科学探索，深海生命现象海洋是人类赖以生存的宝库海洋资源之多少？几乎人类生存所需要的一切资源，食品、能源、矿物、金属、石油、天然气.探测？勘探方法？开采？海洋是人类生存和发展的主要空间海洋环境的恶化加剧，海洋灾害频繁海洋环境监测？如何认识海洋？海洋的勘探、调查、监测手段是什么？,海洋也是世界军事争斗的主要战场战争的演变，由陆到海，由海到陆，现在是以海为主。航母，巡航弹，精确制导武器等应用改变了战争的模式。海上军事力量成为军力的主要标志。海上力量的战斗力的基础是生存能力，海上作战的最有效的武器，经过两次世界大战证明，一是潜艇，二是鱼雷

2、。尤其是现在的配备了核打击力量的安静型核动力潜艇、安静型潜艇配备智能鱼雷，成为水面舰艇和地面目标的最主要的威胁。,潜艇依然是海战的重要作战平台,世界上的潜艇按动力可区分为：常规潜艇和核潜艇；按作战任务可区分为：战略导弹潜艇和攻击型潜艇 世界上拥有核潜艇的国家有5个，拥有各型核潜艇150余艘，其中，战略导弹核潜艇近50艘，攻击型核潜艇100余艘 还有近40个国家拥有不同类型的常规潜艇300余艘。拥有常规潜艇数量最多的国家在我们亚洲（朝鲜拥有60艘）。,二战期间，潜艇共击沉作战舰艇381艘，其中战列舰3艘，航空母舰17艘，巡洋舰32艘，驱逐舰122艘，还有其它作战舰艇207艘，击沉各种运输船500

3、0余艘二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘，仅潜艇就击沉17艘被潜艇击沉的潜艇80艘在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家橡树”号，创造了军事史上的奇迹,美国是世界上潜艇技术领先、数量最多的国家，共拥有潜艇70余艘，全部为核动力潜艇，其中，战略导弹核潜艇近20艘、攻击型核潜艇50余艘,美国,美国最新核动力攻击潜艇-海狼号,俄罗斯,俄罗斯D级弹道导弹核潜艇,俄罗斯的弹道导弹核潜艇共发展了四代，分别为“台风”级、DI、DII、DIV级，目前在役的有17艘，“台风”级弹道导弹核潜艇是世界上

4、排水量最大的核潜艇，其水下排水量26500吨，水下航速26节，可携带1620枚SS-N-23或SS-N-20型弹道核导弹，每枚可携载10个分弹头，射程可达900010000公里,英国是世界上第三个拥有核武器的国家，英国的核力量全部为海基，目前拥有战略导弹核潜艇4艘，每艘可携带16枚“三叉戟”弹道核导弹，每枚可携载14枚分弹头，射程达12000公里,英国最新战略核潜艇-警戒号,法国,法国海军的战略导弹核潜艇有三代，第一代“无畏”级、第二代“不屈”级、第三代“胜利”级。目前在役的有5艘，其中“胜利”级水下排水量14335吨、水下航速25节、下潜深度300米，可携带16枚M45型战略核导弹，射程53

5、00公里,法国海基核力量中坚-凯旋号核潜艇,中国 092型“夏”级弹道导弹核潜艇,中国的潜艇：091型“汉”级攻击核潜艇、092型“夏”级弹道导弹核潜艇、039型“宋”级潜艇,，“俄亥俄”级战略导弹核潜艇是美国“三维一体”战略核力量的中坚，该级艇是美国至今建造的吨位最大、性能最先进、携带导弹最多的战略导弹核潜艇，水下排水量18750吨，下潜深度400米，水下航速25节，每艘有24 个导弹发射筒,美国俄亥俄级核动力导弹潜艇,鱼雷和水雷,是目前水下作战的主要兵器鱼雷多种多样制导方式投放方式爆炸方式超高速水雷多种多样引爆引信布放方式主动攻击水雷水鱼雷,水下作战的主要手段潜艇、鱼雷、水雷、蛙人等水下战

6、的主要内容潜艇战与反潜战鱼雷攻击与防护水雷战与反水雷水下作战保障先敌发现精确定位隐蔽导航与通信,先敌发现隐身能力，有效地隐蔽自己而不被敌人发现探测能力精确定位定自己的位置定敌人的位置隐蔽导航与通信隐蔽性是主要的已经有很多进展,水下的探测、定位、导航和通信如何实现？如何在水下获取信息？,陆地上的信息获取：光声无线电电磁波是最有效的信息载体探测雷达导航与定位GPS通信有线、无线、卫星通信,水下的探测、定位与导航、通信,声波是唯一能在海洋中远距离传输信息的信息载体声波的衰减 1分贝/公里，10kHz 频率，（声波的衰减与频率的平方成正比），利用海洋中的波导效应，声波可以传播的更远。电磁波的衰减 45

7、00分贝/公里（每米能量衰减百分之九十），所以海洋中是漆黑的，即使蓝绿激光，能穿透的距离也只有百米量级，并且是水质清澈条件下。,二.声纳系统,声纳是一个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像，以及像识别系统等。其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一主动声纳，以回声方式实现系统功能的水声系统被动声纳，以纯被动接收方式实现系统功能的水声系统,水声系统所涉及的内容水声换能器水声物理（传播路径上的信号变异特性）水声信号处理（传感器输出端以后的信息检测、估计、识别和显示等）,水声换能器,水声换能材料水声换能器设计原理与方法水声换能器工艺声基阵成阵技术

8、水声换能器校准计量,水声物理,海洋环境声特性海水水体海底与海面水声传播混响噪声散射起伏,水声信号处理,时频分析自适应技术检测与估计特征提取与识别基阵信号处理波束形成技术信号处理的软硬件实现,三、声纳的主要应用,军事应用探雷声纳小目标定位声纳通信声纳航空吊放声纳（浮标声纳）拖曳声纳拖曳线列阵声纳水声导航声纳,民用测深单波束测深仪多波束测深仪旁视声纳侧扫声纳综合孔径测深仪测速多普勒测速仪（海流计）相关测速仪（海流计）,鱼探仪助渔设备（诱鱼、计数、跟踪）助潜设备水下定位信标应答器通讯与遥测声控海洋监测,ATOC-海洋气候声层析,四.声纳用材料,磁致伸缩效应：,大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外

9、，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。另外有些物质（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外磁场后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）来描述，（lhlo）lo，lo为原来的长度，lh为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。一般铁磁性物质的很小，约百万分之一，通常用 ppm代表。例如金属镍（Ni）的约40ppm。,磁致伸缩材料,磁致伸缩的金属与合金，如镍和镍（Ni）基合金（Ni，NiCo合金，NiCoC

10、r合金）和铁基合金（如 F e Ni合金，FeAl合金，FeCoV合金等）,磁致伸缩材料,铁氧体磁致伸缩材料，如 N iCo和 NiCoCu铁氧体材料等。前两种称为传统磁致伸缩材料，其值（在2080ppm之间）过小，它们没有得到推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如（Pb，Zr，Ti）C03材料，（简称为 PZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200400ppm，它很快得到广泛应用.,磁致伸缩材料,3.近期发展了稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料。稀土超磁致伸缩材料：以（Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合 金 材料（Tb Dy-Fe材料）的达到15002

11、000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的大12个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。,稀土超磁致伸缩材料特点 和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：磁致伸缩应变比纯 N i大50倍，比PZT材料大525倍，比纯 N i和 NiCo合金高400800倍，比PZT材料高1430倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的 TbDyFe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力：能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达70，而 Ni基合金仅有16，PZT材料仅有4060；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间（由施

12、加磁场到产生相应的应变所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。,稀土超磁致伸缩材料及器件现状,稀土超磁致伸缩材料的制备技术主要采用定向凝固方法和粉末冶金方法。近年来，定向凝固法通过增加母合金中稀土元素含量，弥补制作过程中的稀土烧损；控制温度梯度和热流方向，采用适当的退火工艺，改进组织结构；同时不断改进制作设备。,稀土超磁致伸缩材料及器件现状,2003年北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心自行研究开发了“一步法”新工艺，将熔炼定向凝固热处

13、理等工序在一台设备上连续完成，可用来制备大直径、高性能、低成本的稀土超磁致伸缩材料，且易于批量生产。用这种工艺研制的稀土超磁致伸缩材料成本仅为国际售价的18%，现已成功生产出直径70mm，长250mm的TbDyFe2超磁致伸缩棒材，主要技术经济指标均达到国际先进水平。,稀土超磁致伸缩材料及器件现状,武汉理工大学首创了以提拉法无污染磁悬浮冷坩埚技术为核心的整套单晶制备和加工新技术，生产的单晶，超磁致伸缩系数为200010-6240010-6。,稀土超磁致伸缩材料及器件现状,粉末冶金方法也在不断改进，国外粘结磁致伸缩材料的磁性能已接近定向凝固棒材，Sandual等学者制作的粘结磁致伸缩材料的磁致伸

14、缩效应可与Terfenol-D相当。,磁致伸缩材料的应用,用稀土超磁致伸缩材料制作的水声换能器和电声换能器已成功用于海军装备、油井探测、扬声器、噪声与振动控制系统、海洋勘探与地下通讯等领域。近年来，薄膜型超磁致伸缩微执行器的开发与应用成为一个新的研究热点，与传统的压电式、静电式形状记忆合金驱动器相比不仅成本较低，而且输出力大、响应速度快，还具有一些新的功能。德国材料研究所用稀土超磁致伸缩薄膜材料制作的微型泵，当控制频率在2KHz时，最大流量为10L/min，出口压力可达1hPa。,磁致伸缩材料的应用,对于稀土超磁致伸缩材料的应用，目前美国位居各国之首，其成功标志在于开发出了一系列用于军事用的尖

15、端产品，如美国已成功地将其应用于舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。,过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。这种材料制造的水声换能器的频率高（20kHz以上），同时发射功率小，体积大，笨重。另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3.0kHz以上的声波，起到隐身的作用。各工业发达国家都正在大力发展低频（频率为几十至2000赫兹），大功率（声源级约220dB）的声纳用或水声对抗用发射水声换能器，并已用于装备海军。低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。低频大功率是声纳用和水声对抗用发射水声换能器今后的

16、发展方向。而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是稀土超磁致伸缩材料。发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。,日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统 OAT（Ocean Acoustic Topography）和海洋气候声学温度测量系统 A TOC（The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水声发射换能器，其信号可发射到1000km的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。,稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景。例如用该材料可制造超大功率超声换能器。过去的超声换能器

17、主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造。它仅能制造小功率（20kW）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率（625kW）的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达20100，可促进石油工业的发展；用该材料制造的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度（20dB）以下。,用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等等。专家认为，稀土超磁致伸缩材料的应用可诱发一系列的新技术，新设备，新工艺。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。,