Basiese beginsels van onderwater akoestiese transducer

71% van die aarde se oppervlakte is die see. Die oseaan bevat oorvloedige biologiese en minerale hulpbronne, wat die tweede ruimte vir menslike oorlewing en ontwikkeling in die toekoms is. Sonar word gebruik vir 'n onderwater-opsporingstoestel, is 'n belangrike helper vir menslike ontwikkeling van die see, en is 'n onontbeerlike deel van die vloot- en burgerlike navigasiebedryf. Die funksie van die sonartoestel is om na die onderwater nuttige sein te luister en dit om te skakel in 'n elektriese sein vir besigtiging; of om 'n elektriese sein op te wek en dit dan in 'n akoestiese sein om te skakel om in die watermedium voort te plant, en dit dan terug te reflekteer en dit te ontvang nadat jy die teiken ontmoet het. Dit word omgeskakel in 'n elektriese sein vir luister of waarneming, waardeur die oriëntasie en afstand van die meetvoorwerp bepaal word. In die omskakelingsproses van hierdie onderwater elektroakoestiese sein, is die sleuteltoerusting die onderwater akoestiese transducer of die transducer array.

Toepassing van onderwater akoestiese transducer

Tans, onderwater akoestiese omskakelaars is wyd gebruik in baie velde soos nywerheid, landbou, nasionale verdediging, vervoer en medies. Hier is net 'n paar van die toepassings vir onderwateropsporing:

(1) Toepassing in sonar: Om navigasieveiligheid te verseker, moet sonar vir beide oorlogskepe en burgerlike skepe geïnstalleer word; spesiale kanaal inspeksie vaartuie is toegerus met 'n hoë presisie en volledige kenmerke diepte sounders. Afhangende van die klankdiepte, verskil die frekwensie en krag van die klankomskakelaar ook baie. Die frekwensie wissel van 10 kHz tot 200 kHz, en die drywing wissel van etlike watt tot tiene kilowatts. Onder hulle word hoëfrekwensie en lae krag gebruik vir binnelandse riviere of vlak see, en lae frekwensie en hoë krag word gebruik vir oseaniese en diep dieptes. Die vereistes vir sulke omskakelaars is straalstabilisering en skerp hoofstraal.

(2) Toepassing van onderwater piëso-elektriese transduktors in posisionering en afstand: Meet die spoed van die skip na die grond, meestal met behulp van doppler sonar, vier transducers met dieselfde werkverrigting om die rigting van die linker- en regterkant loodreg op die kiel te rangskik. Die algemene bedryfsfrekwensie is tussen 100kHz en 500kHz.

(3) Toepassings in mariene opnames en ondersese stratigrafiese eksplorasie: Ondersese geologiese opnames gebruik hoofsaaklik lae-frekwensie sonar met groot diafragma. Gesleep sonar is die grootste reeks akoestiese skikkings op die aktiewe draer vandag met die langste afstand. In die onderwaterbeelding word hoëfrekwensie syaansig sonar gewoonlik gebruik. Twee lineêre skikkings is simmetries langs die kiel in die linker- en regterkant van die skip gerangskik. Elkeen van hulle straal 'n waaiervormige rigtingstraal na die seebodem uit, en ontvang dan weerkaatste golwe vanaf die seebodem. Die intensiteit van die ongelyke refleksiegolf is anders, en beelde met verskillende helderheid verskyn op die vertoonde beeld. Omdat die bedryfsfrekwensie hoër is, word die akoestiese sein vinniger verswak, en die omvang van die aksie is nie ver nie. Die frekwensiereeks van die toets is nou etlike tientalle kilohertz tot 500 duisend. Dit is klassifikasie van onderwater akoestiese transducer s.

Onderwater ultrasoniese transducer kan verdeel word in elektriese, elektromagnetiese, magnetostriktiewe, elektrostatiese, piëzo-elektriese en elektrostriktiewe volgens verskillende elektromeganiese energie-omskakelingsbeginsels. Byvoorbeeld, piëso-elektriese keramiek wat in die middel van die eeu ontwikkel is, is piëso-elektries na hoëspanning DC polarisasie behandeling. Daarom word dit elektrostriktiewe materiaal genoem en is dit die hoofstroom van vandag se piëzo-elektriese omskakelaars, veral in ultrasoniese omskakelaars. Die veld het 'n uiters wye reeks gebruike. Die onderwater akoestiese transducer kan in die volgende kategorieë verdeel word volgens verskillende vibrasiemodusse:

(1) Longitudinale vibrasie-omskakelaar: sy vibrasierigting is parallel met die longitudinale rigting. Die spanningsgolf versprei in die lengte van die omskakelaar, en sy resonante fundamentele frekwensie hang af van die lengte en is die tipe wat die meeste in sonarstelsels gebruik word.

(2) Silindriese transducer: 'n Piëzo-elektriese keramiekbuis (of ring) word gebruik om die verlangde lengte deur 'n geskikte meganiese struktuur te monteer. Dit kan in 'n horisontale transducer gemaak word met horisontale nie-rigting- en vertikale rigtingbeheer. Dit is 'n tipe sonarstelsel wat slegs tweede is na die longitudinale transducer. Dit is ook 'n standaard hidrofoon wat algemeen in hidroakoestiese metrologie gebruik word. En een van die seleksie van standaardsenders.

(3) Buig-vibrasie-omskakelaar: Die buig-vibrasie-omskakelaar het die voordele van klein grootte en ligte gewig by lae frekwensies (in vergelyking met transduktors van dieselfde aktiewe materiaal op dieselfde frekwensie), en die vibrasievorm het geboë balke, geboë skywe, geboë plate, ens.

(4) Buigverlenging-omskakelaars: Buigverleng-omskakelaars is oor die algemeen saamgestelde transduktors wat twee modusse van vibrasie kombineer. Byvoorbeeld, 'n longitudinaal rekbare vibrerende staaf en 'n ander tipe geboë omhulsel word gekombineer in 'n veelheid tipes geboë verlenging-omskakelaars, en 'n sirkelvormige planêre radiale vibrasie aktiewe komponent kan gekombineer word met 'n bakvormige geboë omhulsel om 'n tipe II buigverlenging te vorm. 

(5) Sferiese transducer: Die sferiese transducer gemaak deur die respiratoriese vibrasie van die hol piëzo-elektriese keramiek sferiese dop het die voordeel van goeie ruimtelike simmetrie. Dit word algemeen gebruik as 'n puntbron hidrofoon.

(6) Skuifvibrasie-omskakelaar: Die skuifvibrasie waarin die rigting van vibrasie en die rigting van polarisasie parallel is en die rigting van die dryf elektriese veld loodreg op die rigting van vibrasie is, kan aan sekere spesiale gebruiksvereistes voldoen. Dit is die vorm van 'n 1MH onderwater transducer soos 'n tandheelkundige calculus.

 3. Hoof parameters van onderwater akoestiese transducer

Die belangrikste prestasie-aanwysers van onderwater akoestiese omskakelaars is onderwater werkfrekwensie, bedryfsfrekwensiereeks, frekwensiebandwydte, emissieklankbronvlak (akoestiese krag) en emissiereaksie, rigting, ontvangsensitiwiteit en ontvangsensitiwiteitsreaksie, emissiedoeltreffendheid, kwaliteitfaktor, impedansie, maksimum werkdiepte, grootte en gewig.

1) Werk frekwensie

Die bedryfsfrekwensie of bedryfsfrekwensiereeks van 'n hidro-akoestiese omskakelaar word tipies bepaal deur die bedryfsfrekwensie van die sonartoestel. Die impedansie, rigting, sensitiwiteit, oordragkrag, grootte, ens. die omskakelaar is almal funksies van frekwensie. Oor die algemeen word die uitsaai-omskakelaar bereken vir sy werkverrigting-indeks in die beperkte frekwensieband rondom die resonansfrekwensie of naby die resonante frekwensie, met maksimum emissiedoeltreffendheid by en naby hierdie frekwensie. Vir 'n wyeband-ontvangtransduktor moet die resonansiefrekwensie van die piëso-elektriese omskakelaar baie hoër wees as die boonste limiet van die ontvangsband om 'n plat ontvangsreaksie binne die wyeband te verseker en om sy ontvangsreaksie by die resonansfrekwensie en onder te bereken. Frekwensie sonar-omskakelaars wissel in frekwensie van tiene van Hz tot etlike kilohertz, terwyl klein teiken-opsporingsonar-omskakelaars wissel van tiene van kilohertz tot honderde kilohertz.

(2) Direktiwiteit

Of dit nou 'n transducer of 'n transducer-skikking is, hul stuurrespons of ontvangrespons sal verander met betrekking tot hul rigting. Dit is waar die omskakelaar rigtinggewend is, en die klankgolwe wat deur die uitsaai-omskakelaar uitgestraal word, is dieselfde as dié wat deur die soeklig uitgestraal word. Aangesien die omskakelaar rigting het, kan dit die klankenergie na 'n sekere posisie konsentreer om die energie meer gekonsentreerd te maak. 'n Groot aantal transduktors word gebruik om 'n groter reeks te vorm. Die rigting is skerper teen dieselfde frekwensie, die energie is meer gekonsentreer en die transmissieafstand is verder. Die sein-tot-geraas-verhouding is groter en die afstand is langer in die ontvangstoestand. Dit is impedansie (of toelating) eienskappe.

Die omskakelaar kan gesien word as 'n eenvoudige serie-parallelle ekwivalente stroombaan naby die resonante frekwensie. Elke weerstand, kapasitor of induktor in die stroombaan verteenwoordig die inherente eienskappe van die transduser, wat die transduser impedansie (of admittansie) kenmerk is. Die impedansie-eienskappe van die transducer word bemeester om by die insetkring van die sender se finale lus of ontvanger te pas. Die impedansie (of admittansie) van 'n transduser is 'n komplekse getal wat 'n funksie van frekwensie is en kan oor die algemeen uitgedruk word as: Z(w) = R(w) + jX(w) (in ohm).In die meganiese resonansie neig die dinamiese varistor na nul, en die statiese kapasitiewe reaktansie kan met 'n bypassende induktor ingestem word. Dit kan as 'n suiwer weerstand beskou word. Elektriese impedansie van die piëso-elektriese transducer is tipies in die reeks van tientalle ohm tot duisende ohm.

(4) Stuurkrag

Die funksie van die duikboot-afstandmeter is om die elektriese krag van die elektroniese sender om te skakel in meganiese krag van meganiese vibrasie, en dan die meganiese krag om te skakel in akoestiese krag vir transmissie. Die oorgedrade klankkrag verwys na die fisiese hoeveelheid van die transducer wat energie per eenheid tyd in die medium uitstraal. Die eenheid van drywing word uitgedruk in watt. Die oordragkrag van die omskakelaar word beperk deur faktore soos nominale spanning (of stroom), dinamiese meganiese sterkte, temperatuur en diëlektriese eienskappe.

(5) Beginreaksie

Die vermoë om die werkverrigting van die uitsaai-omskakelaar ten volle te weerspieël is die emissiereaksie, hoofsaaklik die emissiespanningsreaksie en die emissiestroomreaksie. Die definisie van die emissiespanningsreaksie SV is die verhouding van die vryeveld-skynbare klankdruk Pf wat deur die transducer op 'n afstand van d0 m vanaf sy effektiewe akoestiese middelpunt in die gespesifiseerde rigting gegenereer word en die spanning U toegepas op die inset van die transducer: SV=Pfd0 /U. Die emissiespanningsreaksie word gewoonlik in desibel uitgedruk.

Die emissiestroomreaksie is die verhouding van die vryeveld-skynbare klankdruk Pf wat deur die transducer op 'n afstand van d0 m vanaf sy effektiewe akoestiese sentrum in die gespesifiseerde rigting gegenereer word en die stroom I toegepas op die inset van die transducer: SI = Pf d0 / I . Die emissiespanningsreaksie word gewoonlik in desibel uitgedruk.

(6) Ontvang sensitiwiteit

Die veldspanningsensitiwiteit van die omskakelaar verwys na die punt waar die ontvangende omskakelaar se oopmiddelspanning U(w) by die uitset en die middel van die klank in die vrye veld is (met die veronderstelling dat die ontvangomskakelaar nie teenwoordig is nie). Die verhouding van klankdruk Pf(w) is M(w). Vir die ontvangs van transduktors is dit wenslik om invallende akoestiese seine oor 'n wye reeks frekwensies te ontvang, terwyl piëso-elektriese omvormers tipies oor 'n wye frekwensiegebied onder die resonante frekwensie werk.

 (7) Fluktuasie van ontvangsensitiwiteit

wyeband-ontvangers vereis 'n relatief plat ontvangsreaksie oor die frekwensiereeks wat gebruik word. Dit word gewoonlik gespesifiseer dat die ontvangspanningsensitiwiteitsskommeling ±1.5dB in die bedryfsfrekwensieband is.