Grundlæggende om akustisk undervandstransducer

71 % af jordens overflade er havet. Havet indeholder rigelige biologiske og mineralske ressourcer, som er det andet rum for menneskelig overlevelse og udvikling i fremtiden. Sonar bruges til en undervandsdetektionsenhed, er en vigtig hjælper til menneskelig udvikling af havet og er en uundværlig del af søfarts- og civil navigationsindustrien. Sonarens funktion er at lytte til det nyttige undervandssignal og konvertere det til et elektrisk signal til visning; eller at generere et elektrisk signal og derefter konvertere det til et akustisk signal for at forplante sig i vandmediet og derefter reflektere det tilbage og modtage det efter at have stødt på målet. Det konverteres til et elektrisk signal til lytning eller observation, hvorved orienteringen og afstanden af ​​måleobjektet bestemmes. I konverteringsprocessen af ​​dette undervands elektroakustiske signal er nøgleudstyret undervands akustisk transducer eller transducer-arrayet.

Anvendelse af akustisk undervandstransducer

På nuværende tidspunkt akustiske undervandstransducere er blevet meget brugt inden for mange områder såsom industri, landbrug, nationalt forsvar, transport og medicin. Her er blot nogle få af applikationerne til undervandsdetektion:

(1) Anvendelse ved sondering: For at sikre navigationssikkerheden bør der installeres sonar til både krigsskibe og civile skibe; specielle kanalinspektionsfartøjer er udstyret med højpræcision og fuldt udstyrede dybdesynere. Afhængigt af lyddybden er lydtransducerens frekvens og effekt også meget forskellige. Frekvensen spænder fra 10 kHz til 200 kHz, og effekten varierer fra flere watt til titusinder af kilowatt. Blandt dem bruges højfrekvent og lav effekt til floder eller lavt hav, og lavfrekvent og høj effekt bruges til oceaniske og dybe dybder. Kravene til sådanne transducere er strålestabilisering og skarp fjernlys.

(2) Anvendelse af piezoelektriske undervandstransducere i positionering og afstand: Måling af skibets hastighed til jorden, for det meste ved hjælp af doppler-ekkolod, fire transducere med samme ydeevne til at arrangere retningen af ​​venstre og højre side vinkelret på kølen. Den generelle driftsfrekvens er mellem 100kHz og 500kHz.

(3) Anvendelser i havundersøgelser og undersøisk stratigrafisk udforskning: Undersøiske geologiske undersøgelser anvender hovedsagelig lavfrekvent sonar med stor blændeåbning. Slæbt ekkolod er det største array af akustiske arrays på den aktive bærer i dag med den længste afstand. Ved undervandsbilleddannelse bruges højfrekvente ekkolod fra siden normalt. To lineære arrays er arrangeret symmetrisk langs kølen i venstre og højre side af skibet. Hver af dem udsender en vifteformet retningsstråle til havbunden og modtager derefter reflekterede bølger fra havbunden. Intensiteten af ​​den ujævne reflektionsbølge er forskellig, og billeder med forskellig lysstyrke vises på det viste billede. Fordi driftsfrekvensen er højere, dæmpes det akustiske signal hurtigere, og rækkevidden af ​​handlingen er ikke langt. Frekvensområdet for testen er nu flere titusinder af kilohertz til 500 tusind. Det er klassificering af akustisk undervandstransducer s.

Undervands ultralydstransducer kan opdeles i elektrisk, elektromagnetisk, magnetostriktiv, elektrostatisk, piezoelektrisk og elektrostriktiv i henhold til forskellige elektromekaniske energikonverteringsprincipper. For eksempel er piezoelektrisk keramik udviklet i midten af ​​århundredet piezoelektrisk efter højspændings DC polariseringsbehandling. Derfor kaldes det elektrostriktivt materiale og er hovedstrømmen af ​​nutidens piezoelektriske transducere, især i ultralydstransducere. Feltet har en ekstrem bred vifte af anvendelser. De akustisk undervandstransducer kan opdeles i følgende kategorier i henhold til forskellige vibrationstilstande:

(1) Langsgående vibrationstransducer: dens vibrationsretning er parallel med længderetningen. Spændingsbølgen forplanter sig i længden af ​​transduceren, og dens resonansgrundfrekvens afhænger af længden og er den mest udbredte type i ekkolodssystemer.

(2) Cylindrisk transducer: Et piezoelektrisk keramisk rør (eller ring) bruges til at montere den ønskede længde gennem en passende mekanisk struktur. Den kan laves om til en horisontal transducer med vandret ikke-retningsbestemt og vertikal retningsbestemt kontrol. Det er en type sonarsystem, der kun er næst efter den langsgående transducer. Det er også en standard hydrofon, der almindeligvis anvendes i hydroakustisk metrologi. Og en af ​​udvalget af standardsendere.

(3) Bøjningsvibrationstransducer: Bøjningsvibrationstransduceren har fordelene ved lille størrelse og lav vægt ved lave frekvenser (sammenlignet med transducere af det samme aktive materiale ved samme frekvens), og vibrationsformen har buede bjælker, buede skiver, buede plader osv.

(4) Bøjningsforlængertransducere: Bøjningsforlængertransducere er generelt sammensatte transducere, der kombinerer to vibrationstilstande. For eksempel er en langsgående strækbar vibrerende stang og en anden type buet kappe kombineret til en flerhed af typer af buede forlængelsestransducere, og en cirkulær plan radial vibrationsaktiv komponent kan kombineres med en skålformet buet kappe for at danne en type II bøjningsforlængelse. 

(5) Sfærisk transducer: Den sfæriske transducer fremstillet af respiratorisk vibration af den hule piezoelektriske keramiske sfæriske skal har fordelen af ​​god rumlig symmetri. Det er almindeligvis brugt som en punktkilde hydrofon.

(6) Forskydningsvibrationstransducer: Forskydningsvibrationen, hvor vibrationsretningen og polarisationsretningen er parallelle, og retningen af ​​det drivende elektriske felt er vinkelret på vibrationsretningen, kan opfylde visse særlige brugskrav. Dette er formen af ​​en 1MH undervandstransducer, såsom en tandsten.

 3. Hovedparametre for akustisk undervandstransducer

De vigtigste præstationsindikatorer for akustiske undervandstransducere er undervandsarbejdsfrekvens, driftsfrekvensområde, frekvensbåndbredde, emissionslydkildeniveau (akustisk effekt) og emissionsrespons, direktivitet, modtagefølsomhed og modtagefølsomhedsrespons, emissionseffektivitet, kvalitetsfaktor, impedans, maksimal arbejdsdybde, størrelse og vægt.

1) Arbejdsfrekvens

Driftsfrekvensen eller driftsfrekvensområdet for en hydroakustisk transducer bestemmes typisk af sonarenhedens driftsfrekvens. Transducerens impedans, retningsbestemmelse, følsomhed, sendeeffekt, størrelse osv. er alle frekvensfunktioner. Generelt beregnes sendetransduceren for dens ydeevneindeks i det begrænsede frekvensbånd omkring resonansfrekvensen eller nær resonansfrekvensen med maksimal emissionseffektivitet ved og nær denne frekvens. For en bredbåndsmodtagetransducer bør resonansfrekvensen af ​​den piezoelektriske transducer være meget højere end den øvre grænse for modtagebåndet for at sikre en flad modtagerespons inden for bredbåndet og for at beregne dens modtagerespons ved resonansfrekvensen og derunder. Frekvens-ekkolodstransducere varierer i frekvens fra snesevis af Hz til flere kilohertz, mens små måldetektions-ekkolodtransducere varierer fra titusinder af kilohertz til hundredvis af kilohertz.

(2) Direktivitet

Uanset om det er en transducer eller et transducer-array, vil deres sende- eller modtagerespons ændre sig i forhold til deres retning. Det er her, transduceren er retningsbestemt, og lydbølgerne, der udsendes af den transducerende transducer, er de samme som dem, der udsendes af søgelyset. Da transduceren har retningsbestemmelse, kan den koncentrere lydenergien til en bestemt position for at gøre energien mere koncentreret. Et stort antal transducere bruges til at danne et større array. Retningsbestemmelsen er skarpere ved samme frekvens, energien er mere koncentreret, og transmissionsafstanden er længere. Signal-til-støj-forholdet er større, og afstanden er længere i modtagetilstand. Det er impedans (eller admittans) karakteristika.

Transduceren kan ses som et simpelt serie-parallelt ækvivalent kredsløb nær resonansfrekvensen. Hver modstand, kondensator eller induktor i kredsløbet repræsenterer transducerens iboende karakteristika, som er transducerens impedans (eller admittans) karakteristik. Transducerens impedanskarakteristika beherskes, så de passer til indgangskredsløbet på senderens sidste sløjfe eller modtager. Impedansen (eller admittansen) af en transducer er et komplekst tal, der er en funktion af frekvensen og kan generelt udtrykkes som: Z(w) = R(w) + jX(w) (i ohm).I den mekaniske resonans har den dynamiske varistor en tendens til nul, og den statiske kapacitive reaktans kan indstilles med en matchende induktor. Dette kan betragtes som en ren modstand. Den elektriske impedans af en piezoelektrisk transducer er typisk i området fra titusinder af ohm til tusindvis af ohm.

(4) Sendeeffekt

Funktionen af ​​ubådens afstandsmåler er at konvertere den elektriske kraft fra den elektroniske sender til mekanisk kraft af mekanisk vibration og derefter konvertere den mekaniske kraft til akustisk kraft til transmission. Den transmitterede lydeffekt refererer til den fysiske mængde af transduceren, der udstråler energi ind i mediet pr. tidsenhed. Effektenheden er udtrykt i watt. Transducerens sendeeffekt er begrænset af faktorer som nominel spænding (eller strøm), dynamisk mekanisk styrke, temperatur og dielektriske egenskaber.

(5) Startrespons

Evnen til fuldt ud at afspejle den transmitterende transducers ydeevne er emissionsresponsen, hovedsageligt emissionsspændingsresponsen og emissionsstrømresponsen. Definitionen af ​​emissionsspændingsreaktionen SV er forholdet mellem det frie felts tilsyneladende lydtryk Pf genereret af den transducerende transducer i en afstand af d0 m fra dens effektive akustiske centrum i den specificerede retning og spændingen U påført transducerens indgang: SV=Pfd0 /U. Emissionsspændingsreaktionen udtrykkes normalt i decibel.

Emissionsstrømresponsen er forholdet mellem det tilsyneladende frifelts lydtryk Pf genereret af den transmitterende transducer i en afstand af d0 m fra dens effektive akustiske centrum i den specificerede retning og strømmen I tilført transducerens indgang: SI = Pf d0 / I . Emissionsspændingsreaktionen udtrykkes normalt i decibel.

(6) Modtag følsomhed

Transducerens feltspændingsfølsomhed refererer til det punkt, hvor den modtagende transducers åbne centerspænding U(w) er ved udgangen og midten af ​​lyden i det frie felt (forudsat at den modtagende transducer ikke er til stede). Forholdet mellem lydtryk Pf(w) er M(w). For at modtage transducere er det ønskeligt at modtage indfaldende akustiske signaler over et bredt frekvensområde, mens piezoelektriske transducere typisk opererer over et bredt frekvensområde under resonansfrekvensen.

 (7) Udsving i modtagefølsomhed

bredbåndsmodtagende transducere kræver et relativt fladt modtagesvar over det anvendte frekvensområde. Det er normalt specificeret, at udsving i modtagespændingens følsomhed er ±1,5dB i driftsfrekvensbåndet.