Základy podvodního akustického měniče

71 % zemského povrchu tvoří oceán. Oceán obsahuje bohaté biologické a nerostné zdroje, což je druhý prostor pro přežití a rozvoj lidstva v budoucnosti. Sonar se používá pro podvodní detekční zařízení, je důležitým pomocníkem pro lidský rozvoj oceánu a je nepostradatelnou součástí námořního a civilního navigačního průmyslu. Funkcí sonarového zařízení je poslouchat užitečný signál pod vodou a převádět jej na elektrický signál pro sledování; nebo generovat elektrický signál a poté jej převést na akustický signál, který se šíří ve vodním prostředí, a poté jej odrážet zpět a přijímat po setkání s cílem. Převádí se na elektrický signál pro poslech nebo pozorování, čímž se určuje orientace a vzdálenost měřeného objektu. V procesu konverze tohoto podvodního elektroakustického signálu je klíčovým zařízením podvodní akustický měnič nebo pole měničů.

Aplikace z podvodní akustický měnič

v současnosti podvodní akustické měniče byly široce používány v mnoha oblastech, jako je průmysl, zemědělství, národní obrana, doprava a lékařství. Zde je jen několik aplikací pro detekci pod vodou:

(1) Použití při sondování: Aby byla zajištěna bezpečnost plavby, sondážní sonar by měl být instalován jak pro válečné lodě, tak pro civilní lodě; speciální nádoby pro kontrolu kanálů jsou vybaveny vysoce přesnými a plně vybavenými hloubkovými sondami. V závislosti na hloubce ozvučení se také velmi liší frekvence a výkon ozvučovacího měniče. Frekvence se pohybuje od 10 kHz do 200 kHz a výkon se pohybuje od několika wattů do desítek kilowattů. Mezi nimi se vysokofrekvenční a nízký výkon používají pro vnitrozemské řeky nebo mělká moře a nízká frekvence a vysoký výkon se používají pro oceánské a hluboké hloubky. Požadavky na takové měniče jsou stabilizace paprsku a ostrý hlavní paprsek.

(2) Aplikace podvodní piezoelektrické snímače v polohování a rozsahu: Měření rychlosti lodi vůči zemi, většinou pomocí dopplerovského sonaru, čtyři snímače se stejným výkonem pro uspořádání směru levé a pravé strany kolmo ke kýlu. Obecná pracovní frekvence je mezi 100 kHz a 500 kHz.

(3) Aplikace v mořských průzkumech a podmořském stratigrafickém průzkumu: Podmořské geologické průzkumy používají hlavně nízkofrekvenční velkootvorové sonary. Vlečný sonar je dnes největší pole akustických polí na aktivním nosiči s nejdelší vzdáleností. Při podvodním zobrazování se obvykle používá vysokofrekvenční boční sonar. Dvě lineární pole jsou uspořádána symetricky podél kýlu na levé a pravé straně lodi. Každý z nich vysílá směrový paprsek ve tvaru vějíře na mořské dno a poté přijímá odražené vlny od mořského dna. Intenzita nerovnoměrné odrazové vlny je různá a na zobrazeném snímku se objevují obrazy s různým jasem. Protože je pracovní frekvence vyšší, akustický signál je utlumen rychleji a dosah není daleko. Frekvenční rozsah testu je nyní několik desítek kilohertzů až 500 tisíc. Jedná se o klasifikaci podvodní akustický měnič s.

Podvodní ultrazvukový měnič lze rozdělit na elektrický, elektromagnetický, magnetostriktivní, elektrostatický, piezoelektrický a elektrostrikční podle různých principů elektromechanické přeměny energie. Například piezoelektrická keramika vyvinutá v polovině století je piezoelektrická po vysokonapěťové stejnosměrné polarizační úpravě. Proto se nazývá elektrostrikční materiál a je hlavním proudem dnešních piezoelektrických měničů, zejména v ultrazvukových měničích. Pole má extrémně široké využití. The podvodní akustický měnič lze rozdělit do následujících kategorií podle různých vibračních režimů:

(1) Snímač podélných vibrací: jeho směr vibrací je rovnoběžný s podélným směrem. Napěťová vlna se šíří v délce měniče a její rezonanční základní frekvence závisí na délce a je nejpoužívanějším typem v sonarových systémech.

(2) Válcový měnič: Piezoelektrická keramická trubice (nebo kroužek) se používá k montáži požadované délky pomocí vhodné mechanické konstrukce. Lze z něj udělat horizontální měnič s horizontální nesměrovostí a vertikálním řízením směrovosti. Jedná se o typ sonarového systému, který je na druhém místě za podélným měničem. Je to také standardní hydrofon běžně používaný v hydroakustické metrologii. A jeden z výběru standardních vysílačů.

(3) Převodník vibrací v ohybu: Převodník vibrací v ohybu má výhody malé velikosti a nízké hmotnosti při nízkých frekvencích (ve srovnání s převodníky ze stejného aktivního materiálu na stejné frekvenci) a forma vibrací má zakřivené paprsky, zakřivené disky, zakřivené desky atd.

(4) Ohybové prodlužovací snímače: Ohybové prodlužovací snímače jsou obecně kompozitní snímače, které kombinují dva režimy vibrací. Například podélně roztažitelná vibrační tyč a jiný typ zakřiveného pouzdra jsou kombinovány do množství typů zakřivených prodlužovacích měničů a kruhová rovinná radiální vibrační aktivní složka může být kombinována s miskovitým zakřiveným pouzdrem pro vytvoření ohybového prodloužení typu II. 

(5) Kulový měnič: Kulový měnič vyrobený respiračními vibracemi dutého piezoelektrického keramického kulového pláště má výhodu dobré prostorové symetrie. Běžně se používá jako hydrofon s bodovým zdrojem.

(6) Převodník střižných vibrací: střižné vibrace, ve kterých jsou směr vibrací a směr polarizace paralelní a směr hnacího elektrického pole je kolmý ke směru vibrací, může splňovat určité speciální požadavky na použití. Toto je forma 1MH podvodního snímače, jako je zubní kámen.

 3. Hlavní parametry podvodní akustický měnič

Hlavní ukazatele výkonnosti podvodní akustický měnič jsou podvodní pracovní frekvence, pracovní frekvenční rozsah, frekvenční pásmo, úroveň zdroje zvuku (akustický výkon) a odezva vyzařování, směrovost, citlivost příjmu a odezva citlivosti příjmu, účinnost vyzařování, faktor kvality, impedance, maximální pracovní hloubka, velikost a hmotnost.

1) Pracovní frekvence

Pracovní frekvence nebo rozsah provozní frekvence hydroakustického měniče je typicky určován pracovní frekvencí sonarového zařízení. Impedance, směrovost, citlivost, vysílací výkon, velikost atd. převodníku jsou všechny funkce frekvence. Obecně je vysílací měnič vypočítán pro svůj výkonnostní index v omezeném frekvenčním pásmu kolem rezonanční frekvence nebo blízko rezonanční frekvence, s maximální účinností vyzařování na této frekvenci a v její blízkosti. U širokopásmového přijímacího měniče by rezonanční frekvence piezoelektrického měniče měla být mnohem vyšší než horní mez přijímacího pásma, aby byla zajištěna plochá přijímací odezva v rámci širokého pásma a pro výpočet jeho přijímací odezvy na rezonanční frekvenci a nižší. Frekvenční sonarové převodníky se pohybují v rozsahu od desítek Hz do několika kilohertzů, zatímco malé sonarové převodníky pro detekci cíle se pohybují od desítek kilohertzů do stovek kilohertzů.

(2) Směrovost

Ať už se jedná o převodník nebo pole převodníků, jejich vysílací nebo přijímací odezva se bude měnit s ohledem na jejich směr. Zde je převodník směrový a zvukové vlny vysílané vysílacím převodníkem jsou stejné jako ty, které vydává světlomet. Protože má měnič směrovost, může soustředit zvukovou energii do určité polohy, aby byla energie koncentrovanější. K vytvoření většího pole se používá velké množství převodníků. Směrovost je na stejné frekvenci ostřejší, energie je koncentrovanější a přenosová vzdálenost je delší. Poměr signálu k šumu je větší a vzdálenost je delší ve stavu příjmu. Je to impedanční (neboli připouštěcí) charakteristika.

Na převodník lze pohlížet jako na jednoduchý sériově paralelní ekvivalentní obvod v blízkosti rezonanční frekvence. Každý rezistor, kondenzátor nebo induktor v obvodu představuje vlastní charakteristiku převodníku, což je impedanční (nebo admitanční) charakteristika převodníku. Impedanční charakteristiky převodníku jsou upraveny tak, aby odpovídaly vstupnímu obvodu koncové smyčky nebo přijímače vysílače. Impedance (neboli admitance) měniče je komplexní číslo, které je funkcí frekvence a může být obecně vyjádřeno jako: Z(w) = R(w) + jX(w) (v ohmech). V mechanické rezonanci má dynamický varistor sklon k nule a statickou kapacitní reaktanci lze doladit odpovídajícím induktorem. To lze považovat za čistý odpor. Elektrická impedance piezoelektrického měniče je typicky v rozsahu desítek ohmů až tisíců ohmů.

(4) Vysílací výkon

Funkcí dálkoměru Submarine je převést elektrický výkon elektronického vysílače na mechanickou sílu mechanických vibrací a poté převést mechanickou sílu na akustickou sílu pro přenos. Přenášený akustický výkon se týká fyzického množství měniče, které vyzařuje energii do média za jednotku času. Jednotka výkonu je vyjádřena ve wattech. Přenosový výkon převodníku je omezen faktory, jako je jmenovité napětí (nebo proud), dynamická mechanická pevnost, teplota a dielektrické vlastnosti.

(5) Odezva spuštění

Schopností plně odrážet výkon vysílacího převodníku je emisní odezva, zejména emisní napěťová odezva a emisní proudová odezva. Definice emisní napěťové odezvy SV je poměr zdánlivého akustického tlaku Pf ve volném poli generovaného vysílacím měničem ve vzdálenosti d0 m od jeho efektivního akustického středu ve stanoveném směru a napětí U přivedeného na vstup měniče: SV=Pfd0 /U. Odezva emisního napětí se obvykle vyjadřuje v decibelech.

Odezva emisního proudu je poměr zdánlivého akustického tlaku Pf ve volném poli generovaného vysílacím měničem ve vzdálenosti d0 m od jeho efektivního akustického středu ve stanoveném směru a proudu I přiváděného na vstup měniče: SI = Pf d0 / I . Odezva emisního napětí se obvykle vyjadřuje v decibelech.

(6) Citlivost příjmu

Napěťová citlivost pole snímače se vztahuje k bodu, ve kterém je otevřené středové napětí U(w) přijímacího převodníku na výstupu a střed zvuku ve volném poli (za předpokladu, že přijímací převodník není přítomen). Poměr akustického tlaku Pf(w) je M(w). Pro přijímací měniče je žádoucí přijímat dopadající akustické signály v širokém rozsahu frekvencí, zatímco piezoelektrické měniče typicky pracují v širokém frekvenčním rozsahu pod rezonanční frekvencí.

 (7) Kolísání citlivosti příjmu

širokopásmové přijímací převodníky vyžadují relativně plochou odezvu příjmu v použitém frekvenčním rozsahu. Obvykle se uvádí, že kolísání citlivosti přijímacího napětí je ±1,5 dB v pracovním frekvenčním pásmu.