Vedenalaisen akustisen muuntimen perusteet

71 % maapallon pinta-alasta on valtameriä. Meri sisältää runsaasti biologisia ja mineraalivaroja, mikä on toinen paikka ihmisen selviytymiselle ja kehitykselle tulevaisuudessa. Sonaria käytetään vedenalaiseen tunnistuslaitteeseen, se on tärkeä apulainen valtamerten inhimilliselle kehitykselle ja on välttämätön osa laivaston ja siviilinavigointiteollisuutta. Luotainlaitteen tehtävänä on kuunnella vedenalaista hyödyllistä signaalia ja muuntaa se sähköiseksi signaaliksi katselua varten; tai generoimaan sähköisen signaalin ja muuttamaan sen sitten akustiseksi signaaliksi leviämään vesiväliaineessa ja sitten heijastamaan sen takaisin ja vastaanottamaan sen kohteen kohtaamisen jälkeen. Se muunnetaan sähköiseksi signaaliksi kuuntelua tai tarkkailua varten, mikä määrittää mittauskohteen suunnan ja etäisyyden. Tämän vedenalaisen sähköakustisen signaalin muunnosprosessissa avainlaitteisto on vedenalainen akustinen anturi tai anturiryhmä.

Sovellus vedenalainen akustinen anturi

Tällä hetkellä, Vedenalaisia ​​akustisia muuntimia on käytetty laajasti monilla aloilla, kuten teollisuudessa, maataloudessa, maanpuolustuksessa, liikenteessä ja lääketieteessä. Tässä on vain muutamia sovelluksia vedenalaiseen havaitsemiseen:

(1) Sovellus luotauksessa: Navigoinnin turvallisuuden takaamiseksi luotain on asennettava sekä sota- että siviilialuksiin; erityiset kanavatarkastusalukset on varustettu erittäin tarkoilla ja monipuolisilla kaikuluotaimilla. Luotaussyvyydestä riippuen luotausanturin taajuus ja teho ovat myös hyvin erilaisia. Taajuus vaihtelee 10 kHz - 200 kHz ja teho useista wateista kymmeniin kilowatteihin. Niistä korkeataajuutta ja pientehoa käytetään sisävesissä tai matalissa merissä ja matalataajuutta ja suurta tehoa valtamerissä ja syvissä syvyyksissä. Vaatimukset tällaisille antureille ovat säteen stabilointi ja terävä kaukovalo.

(2) Soveltaminen Vedenalaiset pietsosähköiset muuntimet paikannuksessa ja etäisyyden määrittämisessä: Laivan nopeuden mittaaminen maahan, useimmiten doppler-luotaimen avulla, neljä saman suorituskyvyn omaavaa anturia vasemman ja oikean puolen suunnan järjestämiseksi kohtisuoraan köliin nähden. Yleinen toimintataajuus on 100 kHz - 500 kHz.

(3) Sovellukset meritutkimuksissa ja sukellusveneiden stratigrafisessa etsinnässä: Merenalaisten geologisissa tutkimuksissa käytetään pääasiassa matalataajuisia suuren aukon kaikuluotaimia. Hinattava kaikuluotain on tällä hetkellä suurin aktiivisen kantoaallon akustisten ryhmien joukko pisimmällä etäisyydellä. Vedenalaisessa kuvantamisessa käytetään yleensä korkeataajuista sivuluotainta. Kaksi lineaarista ryhmää on järjestetty symmetrisesti köliä pitkin aluksen vasemmalle ja oikealle puolelle. Jokainen niistä lähettää viuhkamaisen suunnatun säteen merenpohjaan ja vastaanottaa sitten heijastuneita aaltoja merenpohjasta. Epätasaisen heijastusaallon intensiteetti on erilainen, ja näytettävään kuvaan tulee eri kirkkaus kuvia. Koska toimintataajuus on korkeampi, akustinen signaali vaimenee nopeammin ja toiminta-alue ei ole kaukana. Testin taajuusalue on nyt useista kymmenistä kilohertseistä 500 tuhanteen. Se on luokitus vedenalainen akustinen anturi s.

Vedenalainen ultraäänianturi voidaan jakaa sähköiseen, sähkömagneettiseen, magnetostriktiiviseen, sähköstaattiseen, pietsosähköiseen ja sähköstriktiiviseen eri sähkömekaanisen energian muunnosperiaatteiden mukaisesti. Esimerkiksi vuosisadan puolivälissä kehitetty pietsosähköinen keramiikka on pietsosähköistä suurjänniteDC-polarisaatiokäsittelyn jälkeen. Siksi sitä kutsutaan sähköstriktiiviseksi materiaaliksi ja se on nykypäivän pietsosähköisten muuntimien päävirta, erityisesti ultraääniantureissa. Alalla on erittäin laaja käyttöalue. The Vedenalainen akustinen anturi voidaan jakaa seuraaviin luokkiin eri värähtelytilojen mukaan:

(1) Pitkittäinen värähtelyanturi: sen värähtelysuunta on yhdensuuntainen pituussuunnan kanssa. Jännitysaalto etenee anturin pituudessa ja sen resonanssiperustaajuus riippuu pituudesta ja on yleisimmin käytetty tyyppi kaikujärjestelmissä.

(2) Sylinterimäinen anturi: Pietsosähköistä keraamista putkea (tai rengasta) käytetään asentamaan haluttu pituus sopivan mekaanisen rakenteen läpi. Siitä voidaan tehdä vaakasuuntainen anturi, jossa on vaakasuuntaisuus ja pystysuuntaisuus. Se on eräänlainen kaikuluotainjärjestelmä, joka on toiseksi vain pitkittäisanturi. Se on myös tavallinen hydrofoni, jota käytetään yleisesti hydroakustisessa metrologiassa. Ja yksi vakiolähettimien valikoimasta.

(3) Taivutusvärähtelyanturi: Taivutusvärähtelyanturin etuna on pieni koko ja kevyt paino matalilla taajuuksilla (verrattuna saman aktiivisen materiaalin muuntimiin samalla taajuudella), ja värähtelymuodossa on kaarevia säteitä, kaarevia levyjä, kaarevia levyjä jne.

(4) Taivutuslaajennusanturit: Taivutuslaajennusanturit ovat yleensä komposiittiantureita, joissa yhdistyvät kaksi värähtelytilaa. Esimerkiksi pituussuunnassa venyvä värähtelytanko ja erityyppinen kaareva kotelo yhdistetään useiksi kaarevaksi venymisantureiksi, ja pyöreä tasomainen säteittäinen värähtelyaktiivinen komponentti voidaan yhdistää kulhon muotoiseen kaarevaan koteloon tyypin II taivutusjatkeen muodostamiseksi. 

(5) Pallomainen anturi: Onton pietsosähköisen keraamisen pallomaisen kuoren hengitysvärähtelyllä valmistetulla pallomaisella anturilla on hyvä tilasymmetria. Sitä käytetään yleisesti pistelähdehydrofonina.

(6) Leikkausvärähtelyanturi: Leikkausvärähtely, jossa värähtelyn suunta ja polarisaation suunta ovat samansuuntaiset ja ajosähkökentän suunta on kohtisuorassa tärinän suuntaan nähden, voi täyttää tietyt erityiset käyttövaatimukset. Tämä on 1MH:n vedenalaisen anturin, kuten hammaskiven muoto.

 3. Pääparametrit vedenalainen akustinen anturi

Tärkeimmät suoritusindikaattorit Vedenalaiset akustiset anturit ovat vedenalainen työtaajuus, toimintataajuusalue, taajuuskaistanleveys, emission äänilähteen taso (akustinen teho) ja emissiovaste, suuntaavuus, vastaanottoherkkyys ja vastaanottoherkkyysvaste, päästötehokkuus, laatutekijä, impedanssi, suurin työsyvyys, koko ja paino.

1) Toimintataajuus

Hydroakustisen anturin toimintataajuus tai toimintataajuusalue määräytyy tyypillisesti luotainlaitteen toimintataajuuden mukaan. Anturin impedanssi, suuntaavuus, herkkyys, lähetysteho, koko jne. ovat kaikki taajuuden toimintoja. Yleensä lähetysanturi lasketaan sen suorituskykyindeksin perusteella rajoitetulla taajuuskaistalla resonanssitaajuuden ympärillä tai lähellä resonanssitaajuutta maksimiemissiotehokkuudella tällä taajuudella ja sen lähellä. Laajakaistaisessa vastaanottomuuntimessa pietsosähköisen muuntimen resonanssitaajuuden tulisi olla paljon suurempi kuin vastaanottokaistan yläraja, jotta varmistetaan tasainen vastaanottovaste laajakaistan sisällä ja lasketaan sen vastaanottovaste resonanssitaajuudella ja sen alapuolella. Taajuusluotaimet vaihtelevat taajuudeltaan kymmenistä hertseistä useisiin kilohertseihin, kun taas pienet kohteen havaitsevat kaikuluotaimet vaihtelevat kymmenistä kilohertseistä satoihin kilohertseihin.

(2)Suuntaisuus

Olipa kyseessä anturi tai anturiryhmä, niiden lähetys- tai vastaanottovaste muuttuu niiden suunnan mukaan. Tässä kaikuanturi on suunnattu, ja lähettävän muuntimen lähettämät ääniaallot ovat samat kuin valonheittimen lähettämät ääniaallot. Koska muuntimessa on suuntaavuus, se voi keskittää äänienergian tiettyyn asentoon tehdäkseen energiasta keskittyneemmän. Suuren ryhmän muodostamiseksi käytetään suurta määrää muuntimia. Suuntaus on terävämpi samalla taajuudella, energia on keskittyneempi ja lähetysetäisyys on pidempi. Signaali-kohinasuhde on suurempi ja etäisyys pidempi vastaanottotilassa. Se on impedanssin (tai sisääntulon) ominaisuuksia.

Anturia voidaan pitää yksinkertaisena sarja-rinnakkaisekvivalenttipiirinä lähellä resonanssitaajuutta. Jokainen piirissä oleva vastus, kondensaattori tai induktori edustaa anturin luontaisia ​​ominaisuuksia, joka on anturin impedanssi (tai sisäänpääsy) -ominaisuus. Anturin impedanssiominaisuudet masteroidaan vastaamaan lähettimen viimeisen silmukan tai vastaanottimen tulopiiriä. Anturin impedanssi (tai sisäänpääsy) on kompleksiluku, joka on taajuuden funktio ja joka voidaan yleensä ilmaista seuraavasti: Z(w) = R(w) + jX(w) (ohmeina). Mekaanisessa resonanssissa dynaaminen varistori pyrkii nollaan, ja staattinen kapasitiivinen reaktanssi voidaan virittää sovituskelalla. Tätä voidaan pitää puhtaana vastustuksena. Pietsosähköisen muuntimen sähköinen impedanssi on tyypillisesti kymmenien ohmien ja tuhansien ohmien välillä.

(4) Lähetysteho

Submarine-etäisyysmittarin tehtävänä on muuntaa elektronisen lähettimen sähköteho mekaanisen tärinän mekaaniseksi tehoksi ja muuntaa sitten mekaaninen teho akustiseksi tehoksi lähetystä varten. Lähetetyllä ääniteholla tarkoitetaan anturin fyysistä määrää, joka säteilee energiaa väliaineeseen aikayksikköä kohti. Tehon yksikkö ilmaistaan ​​watteina. Anturin lähetystehoa rajoittavat sellaiset tekijät kuin nimellisjännite (tai virta), dynaaminen mekaaninen lujuus, lämpötila ja dielektriset ominaisuudet.

(5) Käynnistä vastaus

Kyky heijastaa täysin lähettävän anturin suorituskykyä on emissiovaste, pääasiassa emissiojännitevaste ja emissiovirran vaste. Emissiojännitevasteen SV määritelmä on lähettävän muuntimen d0 m etäisyydellä tehollisesta akustisesta keskustastaan ​​tietyssä suunnassa synnyttämän vapaan kentän näennäisen äänenpaineen Pf ja anturin sisäänmenoon syötetyn jännitteen U suhde: SV=Pfd0 /U. Emissiojännitevaste ilmaistaan ​​yleensä desibeleinä.

Emissiovirran vaste on lähettävän muuntimen d0 m etäisyydellä tehollisesta akustisesta keskustastaan ​​tietyssä suunnassa synnyttämän vapaan kentän näennäisen äänenpaineen Pf ja anturin sisäänmenoon syötetyn virran I suhde: SI = Pf d0 / I . Emissiojännitevaste ilmaistaan ​​yleensä desibeleinä.

(6) Vastaanottoherkkyys

Anturin kenttäjännitteen herkkyys viittaa pisteeseen, jossa vastaanottavan anturin avoin keskijännite U(w) on lähdössä ja äänen keskipiste vapaassa kentässä (olettaen, että vastaanottomuunninta ei ole läsnä). Äänenpaineen suhde Pf(w) on M(w). Muuntimien vastaanottoa varten on toivottavaa vastaanottaa tulevia akustisia signaaleja laajalla taajuusalueella, kun taas pietsosähköiset muuntimet toimivat tyypillisesti laajalla taajuusalueella resonanssitaajuuden alapuolella.

 (7) Vastaanottoherkkyyden vaihtelu

laajakaistaiset vastaanottomuuntimet vaativat suhteellisen tasaisen vastaanottovasteen käytetyllä taajuusalueella. Yleensä määritellään, että vastaanottojännitteen herkkyyden vaihtelu on ±1,5 dB käyttötaajuuskaistalla.