مبانی مبدل آکوستیک زیر آب

71 درصد از سطح زمین را اقیانوس تشکیل می دهد. اقیانوس دارای منابع بیولوژیکی و معدنی فراوانی است که دومین فضای بقا و توسعه بشر در آینده است. سونار برای یک دستگاه تشخیص زیر آب استفاده می شود، کمک کننده مهمی برای توسعه انسانی اقیانوس است و بخشی ضروری از صنعت ناوبری دریایی و غیرنظامی است. عملکرد دستگاه سونار گوش دادن به سیگنال مفید زیر آب و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی برای مشاهده است. یا یک سیگنال الکتریکی تولید کند و سپس آن را به سیگنال صوتی تبدیل کند تا در محیط آبی منتشر شود و سپس آن را به عقب بازتاب داده و پس از برخورد با هدف دریافت کند. این به یک سیگنال الکتریکی برای گوش دادن یا مشاهده تبدیل می شود و از این طریق جهت و فاصله جسم اندازه گیری را تعیین می کند. در فرآیند تبدیل این سیگنال الکتروآکوستیک زیر آب، تجهیزات کلیدی است مبدل آکوستیک زیر آب یا آرایه مبدل.

کاربرد مبدل آکوستیک زیر آب

در حال حاضر، مبدل های صوتی زیر آب به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها مانند صنعت، کشاورزی، دفاع ملی، حمل و نقل و پزشکی استفاده شده است. در اینجا فقط تعدادی از برنامه های کاربردی برای تشخیص زیر آب آورده شده است:

(1) کاربرد در صداگذاری: به منظور اطمینان از ایمنی ناوبری، سونار صوتی باید هم برای کشتی های جنگی و هم برای کشتی های غیرنظامی نصب شود. کشتی های بازرسی کانال ویژه مجهز به صداگیرهای عمقی با دقت بالا و کامل هستند. بسته به عمق صدا، فرکانس و قدرت مبدل صدا نیز بسیار متفاوت است. فرکانس آن از 10 کیلوهرتز تا 200 کیلوهرتز است و توان آن از چند وات تا ده ها کیلووات متغیر است. در این میان فرکانس بالا و توان کم برای رودخانه های داخلی یا دریاهای کم عمق و فرکانس پایین و توان بالا برای اعماق اقیانوسی و عمیق استفاده می شود. الزامات چنین مبدل هایی تثبیت پرتو و پرتو اصلی تیز است.

(2) کاربرد مبدل‌های پیزوالکتریک زیر آب در موقعیت‌یابی و محدوده: اندازه‌گیری سرعت کشتی به زمین، عمدتاً با استفاده از سونار داپلر، چهار مبدل با عملکرد یکسان برای ترتیب دادن جهت سمت چپ و راست عمود بر کیل. فرکانس کاری عمومی بین 100 کیلوهرتز تا 500 کیلوهرتز است.

(3) کاربردها در بررسی‌های دریایی و اکتشاف چینه‌شناسی زیردریایی: بررسی‌های زمین‌شناسی زیردریایی عمدتاً از سونار با دیافراگم بزرگ با فرکانس پایین استفاده می‌کنند. سونار بکسل شده بزرگترین آرایه آرایه های صوتی در حامل فعال امروزی با بیشترین فاصله است. در تصویربرداری زیر آب، معمولاً از سونار دید جانبی با فرکانس بالا استفاده می شود. دو آرایه خطی به طور متقارن در امتداد کیل در سمت چپ و راست کشتی قرار گرفته اند. هر یک از آنها یک پرتو جهت دار به شکل بادبزن را به کف دریا می تاباند و سپس امواج منعکس شده را از بستر دریا دریافت می کند. شدت موج انعکاس ناهموار متفاوت است و تصاویری با روشنایی متفاوت روی تصویر نمایش داده می شوند. از آنجایی که فرکانس کاری بالاتر است، سیگنال صوتی سریعتر تضعیف می شود و دامنه عمل زیاد نیست. محدوده فرکانس آزمایش اکنون از چند ده کیلوهرتز تا 500 هزار است. طبقه بندی است مبدل آکوستیک زیر آب s.

مبدل اولتراسونیک زیر آب را می توان با توجه به اصول مختلف تبدیل انرژی الکترومکانیکی به الکتریکی، الکترومغناطیسی، مغناطیسی، الکترواستاتیک، پیزوالکتریک و الکتریکی تقسیم کرد. به عنوان مثال، سرامیک های پیزوالکتریک که در اواسط قرن توسعه یافتند، پس از عملیات پلاریزاسیون DC با ولتاژ بالا، پیزوالکتریک هستند. بنابراین، آن را مواد الکترواستریکیو می نامند و جریان اصلی مبدل های پیزوالکتریک امروزی، به ویژه در مبدل های اولتراسونیک است. این زمینه کاربردهای بسیار وسیعی دارد. را مبدل آکوستیک زیر آب را می توان با توجه به حالت های مختلف ارتعاش به دسته های زیر تقسیم کرد:

(1) مبدل ارتعاش طولی: جهت ارتعاش آن موازی با جهت طولی است. موج تنش در طول مبدل منتشر می شود و فرکانس اصلی تشدید آن بستگی به طول دارد و پرکاربردترین نوع در سیستم های سونار است.

(2) مبدل استوانه ای: یک لوله (یا حلقه) سرامیکی پیزوالکتریک برای نصب طول مورد نظر از طریق یک ساختار مکانیکی مناسب استفاده می شود. می توان آن را به یک مبدل افقی با کنترل غیر جهت افقی و جهت عمودی تبدیل کرد. این یک نوع سیستم سونار است که پس از مبدل طولی در رتبه دوم قرار دارد. همچنین یک هیدروفون استاندارد است که معمولاً در مترولوژی هیدروآکوستیک استفاده می شود. و یکی از انتخاب فرستنده های استاندارد.

(3) مبدل ارتعاش خمشی: مبدل ارتعاش خمشی دارای مزایای اندازه کوچک و وزن سبک در فرکانس های پایین (در مقایسه با مبدل های همان ماده فعال در همان فرکانس) است و شکل ارتعاش دارای پرتوهای منحنی، دیسک های منحنی، صفحات منحنی و غیره است.

(4) مبدل های امتدادی خمشی: مبدل های امتدادی خمشی عموماً مبدل های کامپوزیتی هستند که دو حالت ارتعاش را ترکیب می کنند. به عنوان مثال، یک میله ارتعاشی قابل کشش طولی و نوع متفاوتی از پوشش منحنی در انواع مختلفی از مبدل‌های امتدادی منحنی ترکیب می‌شوند، و یک جزء فعال ارتعاش شعاعی مسطح دایره‌ای را می‌توان با یک پوشش منحنی کاسه‌شکل ترکیب کرد تا یک پسوند خمشی نوع II را تشکیل دهد. 

(5) مبدل کروی: مبدل کروی ساخته شده توسط ارتعاش تنفسی پوسته کروی سرامیکی پیزوالکتریک توخالی از مزیت تقارن فضایی خوبی برخوردار است. معمولاً به عنوان هیدروفون منبع نقطه ای استفاده می شود.

(6) مبدل ارتعاش برشی: ارتعاش برشی که در آن جهت ارتعاش و جهت قطبش موازی است و جهت میدان الکتریکی محرک عمود بر جهت ارتعاش است، می تواند الزامات استفاده ویژه خاصی را برآورده کند. این شکل یک مبدل زیر آب 1MH مانند جرم دندان است.

 3. پارامترهای اصلی مبدل آکوستیک زیر آب

شاخص های اصلی عملکرد مبدل های صوتی زیر آب عبارتند از فرکانس کار زیر آب، محدوده فرکانس کاری، پهنای باند فرکانس، سطح منبع صدای انتشار (قدرت صوتی) و پاسخ انتشار، جهت، حساسیت دریافت و پاسخ حساسیت دریافت، بازده انتشار، ضریب کیفیت، امپدانس، حداکثر عمق کار، اندازه و وزن.

1) فرکانس کاری

فرکانس کاری یا محدوده فرکانس کاری یک مبدل هیدروآکوستیک معمولاً با فرکانس کاری دستگاه سونار تعیین می شود. امپدانس، جهت دهی، حساسیت، توان انتقال، اندازه و غیره مبدل همه از توابع فرکانس هستند. به طور کلی، مبدل فرستنده برای شاخص عملکرد خود در باند فرکانسی محدود در اطراف فرکانس تشدید یا نزدیک به فرکانس تشدید، با حداکثر بازده انتشار در این فرکانس و نزدیک به آن محاسبه می‌شود. برای یک مبدل گیرنده باند پهن، فرکانس تشدید مبدل پیزوالکتریک باید بسیار بیشتر از حد بالایی باند دریافت باشد تا از پاسخ دریافت مسطح در باند پهن اطمینان حاصل شود و پاسخ دریافت آن در فرکانس تشدید و زیر محاسبه شود. فرکانس مبدل های سونار فرکانس از ده ها هرتز تا چندین کیلوهرتز است، در حالی که مبدل های سونار شناسایی هدف کوچک از ده ها کیلوهرتز تا صدها کیلوهرتز متغیر هستند.

(2) جهت دهی

خواه یک مبدل یا یک آرایه مبدل باشد، پاسخ ارسال یا پاسخ دریافتی آنها با توجه به جهت آنها تغییر می کند. این جایی است که مبدل جهت است و امواج صوتی ساطع شده توسط مبدل فرستنده همان امواجی است که از نورافکن ساطع می شود. از آنجایی که مبدل دارای جهت دهی است، می تواند انرژی صوتی را در یک موقعیت خاص متمرکز کند تا انرژی متمرکزتر شود. تعداد زیادی مبدل برای تشکیل یک آرایه بزرگتر استفاده می شود. جهت دهی در همان فرکانس واضح تر است، انرژی متمرکز تر است و فاصله انتقال دورتر است. نسبت سیگنال به نویز بزرگتر است و فاصله در حالت دریافت بیشتر است. این ویژگی امپدانس (یا پذیرش) است.

مبدل را می توان به عنوان یک مدار معادل سری-موازی ساده در نزدیکی فرکانس تشدید مشاهده کرد. هر مقاومت، خازن یا سلف در مدار نشان دهنده ویژگی های ذاتی مبدل است که مشخصه امپدانس (یا پذیرش) مبدل است. ویژگی‌های امپدانس مبدل مطابق با مدار ورودی حلقه یا گیرنده نهایی فرستنده است. امپدانس (یا پذیرش) مبدل یک عدد مختلط است که تابعی از فرکانس است و به طور کلی می تواند به صورت زیر بیان شود: Z(w) = R(w) + jX(w) (به اهم). این را می توان به عنوان یک مقاومت خالص در نظر گرفت. امپدانس الکتریکی مبدل پیزوالکتریک معمولاً در محدوده ده‌ها اهم تا هزاران اهم است.

(4) انتقال قدرت

عملکرد فاصله یاب زیردریایی تبدیل توان الکتریکی فرستنده الکترونیکی به توان مکانیکی ارتعاش مکانیکی و سپس تبدیل توان مکانیکی به توان صوتی برای انتقال است. قدرت صوت ارسالی به کمیت فیزیکی مبدلی که انرژی را در واحد زمان به محیط تابش می کند، اشاره دارد. واحد قدرت بر حسب وات بیان می شود. توان انتقال مبدل توسط عواملی مانند ولتاژ نامی (یا جریان)، مقاومت مکانیکی دینامیکی، دما و ویژگی های دی الکتریک محدود می شود.

(5) پاسخ راه اندازی

توانایی انعکاس کامل عملکرد مبدل فرستنده، پاسخ انتشار است، عمدتاً پاسخ ولتاژ انتشار و پاسخ جریان انتشار. تعریف پاسخ ولتاژ انتشار SV نسبت فشار صوت ظاهری میدان آزاد Pf است که توسط مبدل فرستنده در فاصله d0 متر از مرکز آکوستیک مؤثر آن در جهت مشخص شده و ولتاژ U اعمال شده به ورودی مبدل ایجاد می‌شود: SV=Pfd0/U. پاسخ ولتاژ انتشار معمولاً بر حسب دسی بل بیان می شود.

پاسخ جریان انتشار نسبت فشار صوت ظاهری میدان آزاد Pf است که توسط مبدل فرستنده در فاصله d0 متر از مرکز آکوستیک مؤثر آن در جهت مشخص شده و جریانی که من به ورودی مبدل اعمال کردم تولید می شود: SI = Pf d0 / I. پاسخ ولتاژ انتشار معمولاً بر حسب دسی بل بیان می شود.

(6) حساسیت دریافت کنید

حساسیت ولتاژ میدان مبدل به نقطه ای اشاره دارد که در آن ولتاژ مرکز باز مبدل گیرنده U(w) در خروجی و مرکز صدا در میدان آزاد قرار دارد (با فرض اینکه مبدل گیرنده وجود ندارد). نسبت فشار صوت Pf(w) M(w) است. برای مبدل های دریافت کننده، دریافت سیگنال های صوتی تابشی در طیف وسیعی از فرکانس ها مطلوب است، در حالی که مبدل های پیزوالکتریک معمولاً در محدوده فرکانسی گسترده ای زیر فرکانس رزونانس کار می کنند.

 (7) نوسان حساسیت دریافت

مبدل های دریافت باند پهن به یک پاسخ دریافت نسبتاً مسطح در محدوده فرکانس مورد استفاده نیاز دارند. معمولاً مشخص می شود که نوسان حساسیت ولتاژ دریافتی ± 1.5dB در باند فرکانس کاری است.