مروری بر توسعه مبدل‌های صوتی زیر آب با فرکانس پایین فرکانس پایین

با توسعه تحقیقات اقیانوسی، تقاضای زیادی برای مبدل هایی وجود دارد که می توانند در آب های عمیق کار کنند. مبدل های آب عمیق بیشتر بر روی انواع مختلفی از سکوهای زیر آب نصب می شوند.

پلت فرم می تواند حجم و وزن محدود و همچنین ظرفیت منبع تغذیه را در خود جای دهد، مبدل فرکانس پایین برای برآوردن ویژگی های اندازه کوچک، وزن کم، راندمان بالا و مقاومت در برابر فشار هیدرواستاتیک بالا مورد نیاز است.

این مقاله پیشرفت تحقیقاتی مبدل‌های آب عمیق فرکانس پایین در داخل و خارج از کشور، از جمله انواع رایج مبدل‌ها، ویژگی‌ها و مشکلات توسعه آنها را برای مرجع محققین معرفی می‌کند.

زمینه های مرتبط.196dB و وزن 2800kg است. صدای فرکانس بسیار پایین 65 هرتز حداکثر سطح منبع منبع 203 دسی بل و وزن آن 1900 کیلوگرم است. عیب اصلی آن این است که توسط ویژگی های ساختاری دیسک منحنی محدود شده است و رسیدن به عمق کار به 1000 متر دشوار است.

 

2.2 مبدل یانوس-هلمهولتز

مبدل ژانوس-هلمهولتز را می توان به نوع مبدل هلمهولتز نیز نسبت داد. شکل معمولی آن این است که یک ارتعاش طولی دو سر، پوسته های استوانه ای سفت و سخت را در هر دو انتها تحریک می کند، با استفاده از فرکانس حفره مایع و فرکانس ارتعاش شعاعی برای تشکیل یک اوج تشدید دوگانه. بخش اصلی یک مبدل ارتعاش طولی است که می تواند از هر دو طرف تابش کند (به نام مبدل ژانوس). یک جفت حفره استوانه ای شکل در قسمت بیرونی سر تشعشع مبدل ژانوس قرار می گیرد و فضای محصور شده توسط حفره و مبدل ژانوس حفره تشدید هلمهولتز تشکیل می شود که تحت تحریک ارتعاش طولی مبدل ژانوس کار می کند. ساختار آن می تواند در آب های عمیق تر بدون استفاده از دستگاه های جبران فشار کار کند. با استفاده از کوپلینگ حالت تشدید حفره مایع و حالت ارتعاش طولی، دارای فرکانس کم، پهنای باند، ویژگی های توان بالا و در عین حال دارای اندازه نسبتا کوچک است که برای استفاده به عنوان منبع صوتی با فرکانس پایین در اعماق دریا مناسب است. IXBLUE انواع مبدل های Janus-Helmholtz با عمق کامل JH250-6000، JH650-6000 و غیره را توسعه داده است. بیشتر از 196 دسی بل؛ باند فرکانس کاری مبدل JH650-6000 580Hz-2020Hz است، بعد خارجی 45 *61cm و وزن 90 کیلوگرم است. سطح منبع صدا بیشتر از 196 دسی بل است. کاستی های آن نوسانات زیاد در باند است.

 

بسیاری از واحدهای داخلی نیز تحقیقات مرتبطی را بر روی مبدل های یانوس-هلمهولتز انجام داده اند. این نوع مبدل اندازه و وزن نسبتاً کوچکی برای به دست آوردن اثر کاری با فرکانس پایین دارد و از نظر تئوری عملکرد مبدل با عمق تغییر نمی کند و چشم انداز کاربردی خوبی دارد. مشکل اصلی این است که حالت تشدید حفره مایع دارای مقدار Q بالایی است که منجر به منحنی های رسانایی و پاسخ تیز در نزدیکی اوج رزونانس حفره مایع می شود که برای طراحی شبکه تطبیق مناسب نیست و تأثیر خاصی بر عملکرد پهنای باند دارد. موسسه آکوستیک کاربردی Hangzhou تحقیقاتی را روی مشکلات مبدل‌های JH انجام داده است و به طور موثری دو مشکل کوپلینگ حالت تشدید مبدل‌های سنتی Janus-Helmholtz را بهبود بخشیده و پهنای باند و باند فرکانس کاری مبدل را بهبود بخشیده است. مسطح بودن پاسخ ولتاژ انتقال مبدل نمونه اولیه تولید شده دارای محدوده فرکانس کاری 400 تا 700 هرتز، پیک حفره مایع 480 هرتز، پهنای باند پاسخ ولتاژ انتقال (6 دسی بل) بیشتر از 200 هرتز و حداکثر سطح منبع صدا 205 دسی بل است. محدوده فرکانس کاری نمونه اولیه نسبتاً بالا 700 تا 1400 هرتز، پیک حفره مایع 760 هرتز، پهنای باند پاسخ ولتاژ انتقال (6 دسی بل) بیشتر از 500 هرتز است و حداکثر سطح منبع صدا 200 دسی بل است.

 

مبدل 2.3 Janus-Hammer Bell

 

در سال 2013، مبدل آب عمیق، که کاملا متفاوت از مبدل سنتی JH است. این به طور خاص شامل یک مبدل ارتعاش طولی تابشی دو طرفه و یک پوسته استوانه ای سفت و سخت است که روی یک استوانه صلب نصب شده است. روی جرم متوسط مکانیسم در اتصال حالت ارتعاش طولی دو طرفه و حالت حلقوی (دو حلقه آلومینیومی) نهفته است. ارتعاش طولی مایع موجود در حفره را به ارتعاش سوق می دهد و باعث تشدید پوسته استوانه ای سفت و سخت می شود. حالت طولی با حالت شعاعی پوسته همراه است. برای دستیابی به تابش باند پهن، سطح درون باند اساساً غیر جهت دار است. از این مبدل برای انجام آزمایش انتشار صدا در فواصل طولانی استفاده کنید. مبدل JHB روی محور کانال (حدود 1000 متر) قرار می گیرد و از آرایه دریافت عمودی 20 یوان برای دریافت موفقیت آمیز سیگنال 1000 کیلومتری استفاده می شود.

2.4 مبدل حلقه سرریز

 

مبدل حلقه سرریز یک نوع رایج مبدل های آب عمیق در باندهای فرکانس متوسط ​​و پایین است. سطوح داخلی و خارجی حلقه سرامیکی با مواد ضد آب (پلی اورتان یا لاستیک ولکانیزه) آب بندی می شود. فشار هیدرواستاتیکی روی سازه خود متعادل است و از نظر تئوری عمق کار محدود به عمق آب نیست. در عین حال، طراحی معقول اندازه حفره مایع مبدل حلقوی می تواند اوج رزونانس حفره مایع با فرکانس پایین را تحریک کند و با رزونانس شعاعی خود حلقوی ترکیب شود تا به اثرات کار باند پهن چند حالته دست یابد. معمولاً در محدوده فرکانس 1 تا 10 کیلوهرتز کار می کنند. برای باندهای فرکانس زیر 1 کیلوهرتز، حلقه‌های موزاییکی با اندازه بزرگ باید ساخته شوند که به فناوری مونتاژ بالایی نیاز دارد. مبدل حلقه سرریز گزارش شده در خارج از کشور دارای باند فرکانس کاری 250Hz-1kHz و منبع صدا است. سطح 197 دسی بل، قطر 1 متر، ارتفاع 1.6 متر و وزن حدود 800 کیلوگرم است.

lan 'استاندارد نهفته توموگرافی آکوستیک در اعماق دریا'، و به نتایج اولیه دست یافته است، اما هنوز جا برای بهبود بیشتر وجود دارد. محدوده فرکانس کاری دستگاه 400Hz~550Hz، حداکثر پاسخ ولتاژ انتقال 132dB و حداکثر سطح منبع صدا 182dB است. بر اساس دو مجموعه هدف زیردریایی توموگرافی آکوستیک آکوستیک در اعماق دریا این مبدل، فرکانس پایین (500 هرتز)، آب عمیق (عمق محور کانال 1000 متر)، انتشار سیگنال صوتی بلند مدت (3 ماه زمان انجام وظیفه) و دریافت سیگنال صوتی در پروفایل عمودی در عمق 1500-150 متر در پتنت مدل کاربردی برای مبدل کشش سرریز اعمال شده، پلاستیک فوم سفت و سخت به عنوان ماده مقاوم در برابر فشار استفاده می شود، فرکانس تشدید 2.4 کیلوهرتز و پاسخ ولتاژ انتقال 126 دسی بل است. دانشگاه مهندسی هاربین در حق ثبت اختراع 'یک مبدل آکوستیک زیر آب انعطاف پذیر در عمق دریا معکوس فازی' پیشنهاد کرد. با نصب لوله های معکوس نیمه طول موج در دو سر مبدل منعطف نوع IV، تابش داخلی مبدل خمشی نوع سرریز تابش می شود. فاز فشار صوت 180 درجه معکوس می شود، که فاز فشار صدا را در داخل پوسته تابشی خمشی تنظیم می کند، به طوری که فشار صوتی تابش شده از سمت داخلی در نازل لوله معکوس در همان فاز فشار صوتی تابش شده از خارج از پوسته ارتعاشی است، و بر مشکل سنتی راندمان تابش تابشی پایین غلبه می کند. از طریق این طرح، مبدل دارای سه سطح تابشی در فاز است، یعنی سطح تابش پیستون صفحه بیضوی در هر دو انتها و سطح تابش پوسته مبدل خمشی، که یک حالت ماتریس سه تایی در فاز را تشکیل می‌دهد که انتقال انعطاف‌پذیری را ممکن می‌سازد. این دستگاه یک جهت دهی عدد هشت را تشکیل می دهد که باعث می شود ویژگی های انتشار جهت دار را داشته باشد.

2.6 مبدل فرکانس پایین جبران شده با گاز

 

شرکت Alliant Techsystems ایالات متحده مبدل صوتی با فرکانس بالا HX-554 زیر آب را برای دماسنجی آکوستیک آب و هوای اقیانوس (ATOC) 1993-1994 توسعه داد. مبدل از 10 پشته کریستال پیزوالکتریک با طول 1085 میلی متر، عرض 119 میلی متر و ضخامت 53 میلی متر تشکیل شده است (هر پشته کریستال از 92 صفحه مربع سرامیکی پیزوالکتریک ساخته شده است که به هم چسبیده اند و بخشی از مواد غیر فعال در وسط پشته کریستال اضافه می شود). ساختار شکل، با یک کیسه بادی در داخل برای متعادل کردن فشار هیدرواستاتیک، و عمق کار می تواند به 1000 متر برسد. مبدل از لرزش خمشی پشته پیزوالکتریک برای انتشار امواج صوتی غیر جهت دار افقی استفاده می کند. فرکانس تشدید 75 هرتز، پهنای باند کاری 57-92 هرتز و حداکثر سطح منبع صدا 197 دسی بل (قدرت صدا 420 وات، پالس CW) است. اندازه کلی مبدل 2.06 طول دارد. متر، 0.94 متر قطر، 2300 کیلوگرم در هوا، 770 کیلوگرم در آب، به علاوه ساختار پشتیبانی و سیستم باد کردن، وزن کل 5500 کیلوگرم است.

 

2.7 منبع صدای هیدرودینامیکی

منبع صدای سیال از درایو هیدرولیک برای تولید ارتعاش استفاده می کند و دارای ویژگی های انتشار فرکانس فوق العاده کم، فرکانس کاری گسترده، ضربه کار طولانی و رانش بزرگ است. منبع صدای هیدرولیک HLF-1 توسعه یافته توسط Hydroacoustics دارای محدوده فرکانس کاری 20Hz-2kHz است، سطح منبع صدا می تواند در رزونانس 260Hz به 196dB برسد و حداکثر اندازه آن 1 متر است. منبع صدای هیدرولیک HLF-4 توسعه یافته دارای یک منبع صوتی با سطح منبع صوتی 206 دسی بل در فرکانس تشدید 57 هرتز و پهنای باند 14 هرتز است. 5 منبع صدا برای تشکیل یک ماتریس استفاده می شود و سطح منبع صدا به 221dB رسیده است. این مبدل در سال 1991 مشهور است این مبدل در آزمایش اندازه گیری دمای اقیانوس جزیره هرد استفاده شد و سیگنال صوتی دارای فاصله انتشار 18000 کیلومتر است.

 

3 نتیجه گیری

انواع مختلف مبدل های فرستنده فرکانس پایین در عمق آب، تفاوت های زیادی در اندازه، وزن و ویژگی های صوتی عمیق دارند. رفع نیاز انواع تجهیزات سونار با یک مبدل غیرممکن است. به عنوان مثال، مبدل حلقه سرریز عملکرد خوبی دارد. پایداری آب عمیق، جهت پوشش کامل فضا، اثر پهنای باند بهتر، اما اندازه و وزن مربوطه نسبتاً بزرگ است. مبدل JH در حجم نسبتاً کمی به عملکرد فرکانس پایین و باند پهن دست می یابد، اما جهت دهی آن با فرکانس بیشتر تغییر می کند. 'دره‌های' بزرگ و اغلب عمیق در باند فرکانس وجود دارد که تأثیر خاصی بر اثر استفاده واقعی دارد. با توجه به نیازهای واقعی پروژه، باید به الزامات مناسب بودن، سطح منبع صوت، جهت دهی، عملکرد پهنای باند و غیره توجه شود و نوع مناسب مبدل فرستنده فرکانس پایین در عمق آب انتخاب شود.