أساسيات محول الطاقة الصوتية تحت الماء

71% من مساحة سطح الأرض هي المحيطات. يحتوي المحيط على موارد بيولوجية ومعدنية وفيرة، وهو الفضاء الثاني لبقاء الإنسان وتطوره في المستقبل. يستخدم السونار لجهاز الكشف تحت الماء، وهو مساعد مهم للتنمية البشرية للمحيطات، وهو جزء لا غنى عنه في صناعة الملاحة البحرية والمدنية. وظيفة جهاز السونار هي الاستماع إلى الإشارة المفيدة تحت الماء وتحويلها إلى إشارة كهربائية للمشاهدة؛ أو لتوليد إشارة كهربائية ومن ثم تحويلها إلى إشارة صوتية لتنتشر في الوسط المائي ومن ثم عكسها واستقبالها بعد مواجهة الهدف. يتم تحويلها إلى إشارة كهربائية للاستماع أو المراقبة، وبالتالي تحديد اتجاه ومسافة كائن القياس. في عملية تحويل هذه الإشارة الكهروصوتية تحت الماء، فإن المعدات الرئيسية هي محول الطاقة الصوتية تحت الماء أو مجموعة محولات الطاقة.

تطبيق محول صوتي تحت الماء

في الوقت الحالي، تم استخدام محولات الطاقة الصوتية تحت الماء على نطاق واسع في العديد من المجالات مثل الصناعة والزراعة والدفاع الوطني والنقل والطب. فيما يلي عدد قليل من تطبيقات الكشف تحت الماء:

(1) التطبيق في السبر: من أجل ضمان سلامة الملاحة، يجب تركيب سونار السبر لكل من السفن الحربية والسفن المدنية؛ تم تجهيز سفن فحص القنوات الخاصة بأجهزة قياس عمق عالية الدقة وكاملة المواصفات. اعتمادًا على عمق السبر، يختلف تردد وقوة محول السبر أيضًا بشكل كبير. يتراوح التردد من 10 كيلو هرتز إلى 200 كيلو هرتز، وتتراوح الطاقة من عدة واط إلى عشرات كيلووات. من بينها، يتم استخدام التردد العالي والطاقة المنخفضة للأنهار الداخلية أو البحار الضحلة، ويتم استخدام التردد المنخفض والطاقة العالية للأعماق المحيطية والعميقة. متطلبات محولات الطاقة هذه هي تثبيت الشعاع والشعاع الرئيسي الحاد.

(2) تطبيق محولات الطاقة الكهرضغطية تحت الماء في تحديد المواقع والمدى: قياس سرعة السفينة إلى الأرض، يستخدم في الغالب سونار دوبلر، وأربعة محولات بنفس الأداء لترتيب اتجاه الجانبين الأيسر والأيمن بشكل عمودي على العارضة. يتراوح تردد التشغيل العام بين 100 كيلو هرتز و500 كيلو هرتز.

(3) تطبيقات في المسوحات البحرية واستكشاف الطبقات السطحية تحت الماء: تستخدم المسوحات الجيولوجية المغمورة بشكل رئيسي السونار منخفض التردد ذو الفتحة الكبيرة. يعد السونار المسحوب أكبر مجموعة من المصفوفات الصوتية الموجودة على الحامل النشط اليوم مع أطول مسافة. في التصوير تحت الماء، عادةً ما يتم استخدام السونار الجانبي عالي التردد. تم ترتيب مصفوفتين خطيتين بشكل متماثل على طول العارضة في الجانبين الأيسر والأيمن من السفينة. يصدر كل واحد منهم شعاعًا اتجاهيًا على شكل مروحة إلى قاع البحر، ثم يستقبل الموجات المنعكسة من قاع البحر. تختلف شدة موجة الانعكاس غير المتساوية، وتظهر الصور ذات السطوع المختلف على الصورة المعروضة. لأن تردد التشغيل أعلى يتم توهين الإشارة الصوتية بشكل أسرع، ونطاق العمل ليس بعيدًا. نطاق تردد الاختبار الآن هو عدة عشرات من الكيلو هرتز إلى 500 ألف. وهو تصنيف محول الطاقة الصوتية تحت الماء .

يمكن تقسيم محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية تحت الماء إلى كهربائي، كهرومغناطيسي، مغنطيسي، إلكتروستاتيكي، كهرضغطية وكهربي وفقًا لمبادئ تحويل الطاقة الكهروميكانيكية المختلفة. على سبيل المثال، السيراميك الكهروضغطي الذي تم تطويره في منتصف القرن هو كهرضغطي بعد معالجة الاستقطاب DC عالي الجهد. لذلك، يطلق عليها اسم المواد الكهربائية وهي التيار الرئيسي لمحولات الطاقة الكهرضغطية اليوم، وخاصة في محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية. المجال لديه مجموعة واسعة للغاية من الاستخدامات. ال يمكن تقسيم محول الطاقة الصوتية تحت الماء إلى الفئات التالية وفقًا لأنماط الاهتزاز المختلفة:

(1) محول الاهتزاز الطولي: اتجاه اهتزازه موازي للاتجاه الطولي. تنتشر موجة الإجهاد على طول محول الطاقة، ويعتمد تردد الرنين الأساسي على الطول، وهو النوع الأكثر استخدامًا في أنظمة السونار.

(2) محول الطاقة الأسطواني: يتم استخدام أنبوب (أو حلقة) سيراميك كهرضغطية لتركيب الطول المطلوب من خلال هيكل ميكانيكي مناسب. يمكن تحويله إلى محول طاقة أفقي مع عدم اتجاه أفقي وتحكم في الاتجاه الرأسي. إنه نوع من نظام السونار الذي يأتي في المرتبة الثانية بعد محول الطاقة الطولي. وهو أيضًا هيدروفون قياسي يستخدم بشكل شائع في علم القياس المائي الصوتي. وواحد من اختيار أجهزة الإرسال القياسية.

(3) محول طاقة الاهتزاز المنحني: يتميز محول طاقة الاهتزاز المنحني بمزايا الحجم الصغير والوزن الخفيف عند الترددات المنخفضة (مقارنة بمحولات الطاقة من نفس المادة النشطة بنفس التردد)، وشكل الاهتزاز يحتوي على عوارض منحنية، وأقراص منحنية، وألواح منحنية، وما إلى ذلك.

(4) محولات تمديد الانحناء: محولات تمديد الانحناء هي بشكل عام محولات طاقة مركبة تجمع بين وضعين من الاهتزاز. على سبيل المثال، يتم دمج شريط الاهتزاز القابل للتمدد طوليًا ونوع مختلف من الغلاف المنحني في مجموعة متنوعة من أنواع محولات الطاقة الممتدة المنحنية، ويمكن دمج مكون نشط للاهتزاز الشعاعي المستوي الدائري مع غلاف منحني على شكل وعاء لتشكيل امتداد ثني من النوع II. 

(5) محول الطاقة الكروي: محول الطاقة الكروي المصنوع بواسطة الاهتزاز التنفسي للقشرة الكروية الخزفية الكهرضغطية المجوفة يتمتع بميزة التماثل المكاني الجيد. يستخدم عادة كمصدر مائي نقطي.

(6) محول اهتزاز القص: اهتزاز القص الذي يكون فيه اتجاه الاهتزاز واتجاه الاستقطاب متوازيين ويكون اتجاه المجال الكهربائي الدافع متعامدًا مع اتجاه الاهتزاز يمكن أن يلبي بعض متطلبات الاستخدام الخاصة. هذا هو شكل محول الطاقة تحت الماء 1MH مثل حساب التفاضل والتكامل للأسنان.

 3. المعلمات الرئيسية لل محول صوتي تحت الماء

مؤشرات الأداء الرئيسية محول الطاقة الصوتي تحت الماء هو تردد العمل تحت الماء، نطاق تردد التشغيل، عرض النطاق الترددي، مستوى مصدر صوت الانبعاث (الطاقة الصوتية) واستجابة الانبعاثات، الاتجاهية، حساسية الاستقبال واستجابة حساسية الاستقبال، كفاءة الانبعاثات، عامل الجودة، المعاوقة، الحد الأقصى لعمق العمل، الحجم والوزن.

1) تردد العمل

عادةً ما يتم تحديد تردد التشغيل أو نطاق تردد التشغيل لمحول الطاقة الصوتي المائي من خلال تردد التشغيل لجهاز السونار. المعاوقة، والاتجاهية، والحساسية، وقوة الإرسال، والحجم، وما إلى ذلك. محول الطاقة كلها وظائف التردد. بشكل عام، يتم حساب محول الإرسال وفقًا لمؤشر أدائه في نطاق التردد المحدود حول تردد الرنين أو بالقرب من تردد الرنين، مع أقصى كفاءة للانبعاث عند هذا التردد وبالقرب منه. بالنسبة لمحول استقبال واسع النطاق، يجب أن يكون تردد الرنين لمحول الطاقة الكهرضغطية أعلى بكثير من الحد الأعلى لنطاق الاستقبال لضمان استجابة استقبال مسطحة داخل النطاق العريض ولحساب استجابة الاستقبال عند تردد الرنين وأدناه. تتراوح محولات طاقة السونار الترددية في التردد من عشرات هرتز إلى عدة كيلو هرتز، في حين تتراوح محولات طاقة السونار الصغيرة للكشف عن الهدف من عشرات كيلو هرتز إلى مئات كيلو هرتز.

(2) الاتجاهية

سواء كان محول طاقة أو مصفوفة محولات، فإن استجابة الإرسال أو الاستجابة المتلقية ستتغير بالنسبة لاتجاهها. هذا هو المكان الذي يكون فيه محول الطاقة اتجاهيًا، والموجات الصوتية المنبعثة من محول الطاقة المرسل هي نفس تلك المنبعثة من الكشاف. نظرًا لأن محول الطاقة لديه اتجاهية، فإنه يمكنه تركيز الطاقة الصوتية في موضع معين لجعل الطاقة أكثر تركيزًا. يتم استخدام عدد كبير من محولات الطاقة لتشكيل مجموعة أكبر. يكون الاتجاه أكثر وضوحًا عند نفس التردد، وتكون الطاقة أكثر تركيزًا، وتكون مسافة الإرسال أبعد. نسبة الإشارة إلى الضوضاء أكبر والمسافة أطول في حالة الاستقبال. إنها خصائص المعاوقة (أو القبول).

يمكن النظر إلى محول الطاقة على أنه دائرة مكافئة متسلسلة ومتوازية بسيطة بالقرب من تردد الرنين. يمثل كل مقاوم أو مكثف أو مغو في الدائرة الخصائص المتأصلة في محول الطاقة، وهي خاصية ممانعة محول الطاقة (أو القبول). يتم إتقان خصائص المعاوقة الخاصة بمحول الطاقة لتتناسب مع دائرة الإدخال الخاصة بالحلقة النهائية للمرسل أو جهاز الاستقبال. إن الممانعة (أو القبول) لمحول الطاقة هي رقم مركب هو دالة للتردد ويمكن التعبير عنها بشكل عام على النحو التالي: Z(w) = R(w) + jX(w) (بالأوم). في الرنين الميكانيكي، يميل المكثف الديناميكي إلى الصفر، ويمكن ضبط المفاعلة السعوية الساكنة باستخدام محث مطابق. ويمكن اعتبار هذا بمثابة مقاومة خالصة. تتراوح المعاوقة الكهربائية لمحول الطاقة الكهروضغطية عادةً من عشرات الأوم إلى آلاف الأوم.

(4) نقل الطاقة

تتمثل وظيفة جهاز تحديد المدى الغواصة في تحويل الطاقة الكهربائية لجهاز الإرسال الإلكتروني إلى طاقة ميكانيكية للاهتزاز الميكانيكي، ومن ثم تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة صوتية للإرسال. تشير قوة الصوت المنقولة إلى الكمية الفيزيائية لمحول الطاقة التي تشع الطاقة في الوسط لكل وحدة زمنية. يتم التعبير عن وحدة الطاقة بالواط. قوة إرسال محول الطاقة محدودة بعوامل مثل الجهد المقنن (أو التيار)، والقوة الميكانيكية الديناميكية، ودرجة الحرارة، وخصائص العزل الكهربائي.

(5) إطلاق الرد

إن القدرة على عكس أداء محول الإرسال بشكل كامل هي استجابة الانبعاثات، وخاصة استجابة جهد الانبعاث واستجابة تيار الانبعاث. تعريف استجابة جهد الانبعاث SV هو نسبة ضغط الصوت الظاهر للمجال الحر Pf المتولد عن محول الطاقة المرسل على مسافة d0 متر من مركزه الصوتي الفعال في الاتجاه المحدد والجهد U المطبق على دخل محول الطاقة: SV=Pfd0 /U. عادة ما يتم التعبير عن استجابة جهد الانبعاث بالديسيبل.

استجابة تيار الانبعاث هي نسبة المجال الحر لضغط الصوت الظاهر Pf المتولد عن محول الطاقة المرسل على مسافة d0 متر من مركزه الصوتي الفعال في الاتجاه المحدد والتيار الذي طبقته على مدخل محول الطاقة: SI = Pf d0 / I . عادة ما يتم التعبير عن استجابة جهد الانبعاث بالديسيبل.

(6) تلقي الحساسية

تشير حساسية جهد المجال لمحول الطاقة إلى النقطة التي يكون فيها الجهد المركزي المفتوح لمحول الطاقة المستقبل U(w) عند الخرج ومركز الصوت في المجال الحر (بافتراض عدم وجود محول الطاقة المستقبل). نسبة ضغط الصوت Pf(w) هي M(w). بالنسبة لمحولات الطاقة المستقبلة، فمن المستحسن استقبال الإشارات الصوتية الواردة عبر نطاق واسع من الترددات، بينما تعمل محولات الطاقة الكهرضغطية عادةً على نطاق ترددي واسع أقل من تردد الرنين.

 (7) تقلب حساسية الاستلام

تتطلب محولات الطاقة ذات النطاق العريض استجابة استقبال مسطحة نسبيًا عبر نطاق التردد المستخدم. عادة ما يتم تحديد أن تقلب حساسية جهد الاستقبال هو ± 1.5 ديسيبل في نطاق تردد التشغيل.