Асновы падводнага акустычнага пераўтваральніка

71% зямной паверхні займае акіян. Акіян змяшчае багатыя біялагічныя і мінеральныя рэсурсы, што з'яўляецца другой прасторай для выжывання і развіцця чалавека ў будучыні. Гідролакатар выкарыстоўваецца ў якасці падводнай прылады выяўлення, з'яўляецца важным памочнікам у асваенні акіяна чалавекам і з'яўляецца незаменнай часткай ваенна-марской і грамадзянскай навігацыйнай прамысловасці. Функцыя гідралакатара - праслухоўванне падводнага карыснага сігналу і пераўтварэнне яго ў электрычны сігнал для прагляду; або для генерацыі электрычнага сігналу, а затым пераўтварэння яго ў акустычны сігнал для распаўсюджвання ў воднай асяроддзі, а затым адлюстравання яго назад і прыёму пасля сустрэчы з мэтай. Ён пераўтворыцца ў электрычны сігнал для праслухоўвання або назірання, вызначаючы тым самым арыентацыю і адлегласць вымяральнага аб'екта. У працэсе пераўтварэння гэтага падводнага электраакустычнага сігналу ключавым абсталяваннем з'яўляецца падводны акустычны пераўтваральнік або масіў пераўтваральнікаў.

Прымяненне падводны акустычны пераўтваральнік

У цяперашні час, падводныя акустычныя пераўтваральнікі шырока выкарыстоўваюцца ў многіх галінах, такіх як прамысловасць, сельская гаспадарка, нацыянальная абарона, транспарт і медыцына. Вось толькі некаторыя з прыкладанняў для падводнага выяўлення:

(1) Прымяненне ў зондзіраванні: у мэтах забеспячэння бяспекі навігацыі гідралакатар павінен быць усталяваны як на ваенных, так і на грамадзянскіх караблях; спецыяльныя рэчышчавыя суда абсталяваны высокадакладнымі і паўнавартаснымі эхалотамі. У залежнасці ад глыбіні зандзіравання частата і магутнасць зандзіруючага пераўтваральніка таксама моцна адрозніваюцца. Частата вагаецца ад 10 кГц да 200 кГц, а магутнасць - ад некалькіх ват да дзесяткаў кілават. Сярод іх высокая частата і нізкая магутнасць выкарыстоўваюцца для ўнутраных рэк або плыткіх мораў, а нізкая частата і высокая магутнасць - для акіянічных і глыбокіх глыбінь. Патрабаванні да такіх пераўтваральнікаў - стабілізацыя прамяня і рэзкі дальні прамень.

(2) Ужыванне падводныя п'езаэлектрычныя пераўтваральнікі ў пазіцыянаванні і дыяпазоне: вымярэнне хуткасці карабля да зямлі, у асноўным з выкарыстаннем доплераўскага гідралакатара, чатыры пераўтваральніка з аднолькавай прадукцыйнасцю, каб арганізаваць кірунак левага і правага бакоў перпендыкулярна кілю. Агульная рабочая частата складае ад 100 кГц да 500 кГц.

(3) Прымяненне ў марскіх даследаваннях і падводных стратыграфічных даследаваннях: падводныя геалагічныя даследаванні ў асноўным выкарыстоўваюць нізкачашчынны гідралакатар з вялікай апертурай. Буксіруемы гідралакатар - гэта самы вялікі на сёння набор акустычных рашотак на актыўным носьбіце з найбольшай адлегласцю. У падводнай здымцы звычайна выкарыстоўваецца высокачашчынны гідралакатар бакавога агляду. У левым і правым бортах карабля сіметрычна ўздоўж кіля размешчаны два лінейных шэрагу. Кожны з іх выпускае веерападобна накіраваны прамень на марское дно, а затым прымае адлюстраваныя хвалі ад марскога дна. Інтэнсіўнасць нераўнамернай хвалі адлюстравання розная, і на адлюстраваным малюнку з'яўляюцца выявы з рознай яркасцю. Паколькі рабочая частата вышэй, акустычны сігнал слабее хутчэй, і радыус дзеяння недалёкі. Дыяпазон частот тэсту цяпер складае ад некалькіх дзясяткаў кілагерц да 500 тысяч. Гэта класіфікацыя падводны акустычны пераўтваральнік s.

Падводны ультрагукавы пераўтваральнік можна падзяліць на электрычны, электрамагнітны, магнітастрыкцыйны, электрастатычны, п'езаэлектрычны і электрастрыкцыйны ў адпаведнасці з рознымі прынцыпамі электрамеханічнага пераўтварэння энергіі. Напрыклад, п'езаэлектрычная кераміка, распрацаваная ў сярэдзіне стагоддзя, становіцца п'езаэлектрычнай пасля палярызацыйнай апрацоўкі пастаянным токам высокага напружання. Такім чынам, ён называецца электрастрыкцыйным матэрыялам і з'яўляецца асноўным напрамкам сучасных п'езаэлектрычных пераўтваральнікаў, асабліва ў ультрагукавых пераўтваральніках. Поле мае надзвычай шырокі спектр выкарыстання. The падводны акустычны пераўтваральнік можна падзяліць на наступныя катэгорыі ў залежнасці ад розных рэжымаў вібрацыі:

(1) Датчык падоўжнай вібрацыі: кірунак вібрацыі паралельны падоўжнаму. Хваля напружання распаўсюджваецца па даўжыні пераўтваральніка, і яе рэзанансная асноўная частата залежыць ад даўжыні і з'яўляецца найбольш шырока выкарыстоўваным тыпам у гідраакустычных сістэмах.

(2) Цыліндрычны пераўтваральнік: п'езаэлектрычная керамічная трубка (або кольца) выкарыстоўваецца для ўстаноўкі патрэбнай даўжыні праз адпаведную механічную структуру. Яго можна зрабіць гарызантальным пераўтваральнікам з гарызантальнай ненакіраванасцю і кіраваннем вертыкальнай накіраванасцю. Гэта тып гідраакустычнай сістэмы, які саступае толькі падоўжнаму пераўтваральніку. Гэта таксама стандартны гідрафон, які звычайна выкарыстоўваецца ў гідраакустычнай метралогіі. І адзін з выбару стандартных перадатчыкаў.

(3) Датчык вібрацыі пры выгіне: пераўтваральнік вібрацыі пры выгіне мае невялікія памеры і лёгкую вагу на нізкіх частотах (у параўнанні з пераўтваральнікамі з таго ж актыўнага матэрыялу на той жа частаце), а форма вібрацыі мае выгнутыя бэлькі, выгнутыя дыскі, выгнутыя пласціны і г.д.

(4) Датчыкі пашырэння пры выгібе: датчыкі пашырэння пры выгібе звычайна з'яўляюцца кампазітнымі пераўтваральнікамі, якія спалучаюць два рэжымы вібрацыі. Напрыклад, вібрацыйная планка, якая падоўжна расцягваецца, і іншы тып выгнутай абалонкі аб'яднаны ў мноства тыпаў пераўтваральнікаў выгнутага пашырэння, а кругавы плоскасны радыяльны вібрацыйны актыўны кампанент можна аб'яднаць з выгнутай абалонкай у форме чашы, каб утварыць пашырэнне на выгіб тыпу II. 

(5) Сферычны пераўтваральнік: сферычны пераўтваральнік, выраблены з дапамогай дыхальнай вібрацыі полай п'езаэлектрычнай керамічнай сферычнай абалонкі, мае добрую прасторавую сіметрыю. Ён звычайна выкарыстоўваецца ў якасці кропкавага гідрафона.

(6) Датчык вібрацыі зруху: вібрацыя зруху, пры якой кірунак вібрацыі і кірунак палярызацыі паралельныя, а кірунак рухаючага электрычнага поля перпендыкулярны напрамку вібрацыі, можа адпавядаць пэўным патрабаванням спецыяльнага выкарыстання. Гэта форма падводнага пераўтваральніка 1MH, напрыклад, зубнога каменя.

 3. Асноўныя параметры ст падводны акустычны пераўтваральнік

Асноўныя паказчыкі дзейнасці падводны акустычны пераўтваральнік - гэта падводная працоўная частата, працоўны дыяпазон частот, паласа частот, узровень крыніцы гуку (акустычная магутнасць) і рэакцыя на выпраменьванне, накіраванасць, адчувальнасць прыёму і рэакцыя адчувальнасці прыёму, эфектыўнасць выпраменьвання, каэфіцыент якасці, супраціў, максімальная рабочая глыбіня, памер і вага.

1) Працоўная частата

Працоўная частата або дыяпазон працоўных частот гідраакустычнага пераўтваральніка звычайна вызначаецца працоўнай частатой гідралакатара. Імпеданс, накіраванасць, адчувальнасць, магутнасць перадачы, памер і г.д. пераўтваральніка з'яўляюцца функцыямі частоты. Увогуле, пераўтваральнік перадачы разлічваецца па паказчыку прадукцыйнасці ў абмежаваным дыяпазоне частот вакол рэзананснай частаты або паблізу рэзананснай частаты з максімальнай эфектыўнасцю выпраменьвання на гэтай частаце і паблізу яе. Для шырокапалоснага прыёмнага пераўтваральніка рэзанансная частата п'езаэлектрычнага пераўтваральніка павінна быць значна вышэй, чым верхняя мяжа прыёмнага дыяпазону, каб забяспечыць раўнамерную характарыстыку прыёму ў шырокапалосным дыяпазоне і разлічыць яго характарыстыку прыёму на рэзананснай частаце і ніжэй. Частотныя пераўтваральнікі гідралакатара маюць дыяпазон ад дзесяткаў Гц да некалькіх кілагерц, у той час як пераўтваральнікі гідралакатара для выяўлення малых мэтаў - ад дзесяткаў кілагерц да сотняў кілагерц.

(2) Накіраванасць

Незалежна ад таго, ці з'яўляецца гэта пераўтваральнік або набор пераўтваральнікаў, іх адказ на перадачу або прыём будзе змяняцца ў залежнасці ад іх кірунку. Тут пераўтваральнік накіраваны, а гукавыя хвалі, якія выпраменьвае перадаючы пераўтваральнік, такія ж, як і пражэктар. Паколькі пераўтваральнік мае накіраванасць, ён можа канцэнтраваць гукавую энергію ў пэўным становішчы, каб зрабіць энергію больш канцэнтраванай. Вялікая колькасць пераўтваральнікаў выкарыстоўваецца для фарміравання большага масіва. Накіраванасць больш выразная на той жа частаце, энергія больш канцэнтраваная, а адлегласць перадачы большая. У стане прыёму стаўленне сігнал/шум большае, а адлегласць большая. Гэта характарыстыкі імпедансу (або допуску).

Пераўтваральнік можна разглядаць як простую паслядоўна-паралельную эквівалентную схему паблізу рэзананснай частаты. Кожны рэзістар, кандэнсатар або шпулька індуктыўнасці ў ланцугу адлюстроўвае ўласцівыя характарыстыкі пераўтваральніка, які з'яўляецца характарыстыкай імпедансу (або допуску) пераўтваральніка. Характарыстыкі імпедансу пераўтваральніка асвойваюцца ў адпаведнасці з уваходнай ланцугом канчатковага контуру перадатчыка або прымача. Імпеданс (або допуск) пераўтваральніка - гэта комплекснае лік, якое з'яўляецца функцыяй частаты і можа быць выражана як: Z(w) = R(w) + jX(w) (у Омах). Пры механічным рэзанансе дынамічны варыстар імкнецца да нуля, а статычнае ёмістае супраціўленне можна наладзіць з дапамогай адпаведнага індуктара. Гэта можна расцаніць як чысты супраціў. Электрычны супраціў п'езаэлектрычнага пераўтваральніка звычайна знаходзіцца ў дыяпазоне ад дзесяткаў Ом да тысяч Ом.

(4) Магутнасць перадачы

Функцыя далямера Submarine заключаецца ў пераўтварэнні электрычнай энергіі электроннага перадатчыка ў механічную сілу механічнай вібрацыі, а затым у пераўтварэнні механічнай энергіі ў акустычную для перадачы. Перададзеная гукавая магутнасць адносіцца да фізічнай велічыні пераўтваральніка, які выпраменьвае энергію ў асяроддзе за адзінку часу. Адзінка магутнасці выражаецца ў ватах. Магутнасць перадачы пераўтваральніка абмежавана такімі фактарамі, як намінальнае напружанне (або ток), дынамічная механічная трываласць, тэмпература і дыэлектрычныя характарыстыкі.

(5) Рэакцыя на запуск

Магчымасць поўнага адлюстравання прадукцыйнасці перадаючага пераўтваральніка - гэта рэакцыя на выпраменьванне, у асноўным напружанне выпраменьвання і рэакцыя на ток выпраменьвання. Вызначэнне характарыстыкі напружання выпраменьвання SV - гэта стаўленне бачнага гукавога ціску свабоднага поля Pf, які ствараецца перадаючым пераўтваральнікам на адлегласці d0 м ад яго эфектыўнага акустычнага цэнтра ў вызначаным кірунку, і напружання U, якое падаецца на ўваходзе пераўтваральніка: SV=Pfd0 /U. Рэакцыя напругі выпраменьвання звычайна выяўляецца ў дэцыбелах.

Адказ току выпраменьвання ўяўляе сабой стаўленне ўяўнага гукавога ціску Pf свабоднага поля, які ствараецца перадаючым пераўтваральнікам на адлегласці d0 м ад яго эфектыўнага акустычнага цэнтра ў вызначаным кірунку, і току I, які падаецца на ўваход пераўтваральніка: SI = Pf d0 / I . Рэакцыя напругі выпраменьвання звычайна выяўляецца ў дэцыбелах.

(6) Атрымаць адчувальнасць

Адчувальнасць пераўтваральніка да напружання поля адносіцца да кропкі, у якой напружанне адкрытага цэнтра прымаючага пераўтваральніка U(w) знаходзіцца на выхадзе і ў цэнтры гуку ў вольным полі (пры ўмове, што прыёмнага пераўтваральніка няма). Каэфіцыент гукавога ціску Pf(w) роўны M(w). Для прыёмных пераўтваральнікаў пажадана атрымліваць падаючыя акустычныя сігналы ў шырокім дыяпазоне частот, у той час як п'езаэлектрычныя пераўтваральнікі звычайна працуюць у шырокім дыяпазоне частот ніжэй за рэзанансную.

 (7) Ваганні прыёмнай адчувальнасці

шырокапалосныя прыёмныя пераўтваральнікі патрабуюць адносна роўнай характарыстыкі прыёму ў выкарыстоўваным дыяпазоне частот. Звычайна ўказваецца, што ваганне адчувальнасці прыёмнага напружання складае ±1,5 дБ у працоўным дыяпазоне частот.