पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर की मूल बातें

पृथ्वी के सतह क्षेत्र का 71% भाग महासागर है। महासागर में प्रचुर मात्रा में जैविक और खनिज संसाधन मौजूद हैं, जो भविष्य में मानव अस्तित्व और विकास के लिए दूसरा स्थान है। सोनार का उपयोग पानी के भीतर पता लगाने वाले उपकरण के लिए किया जाता है, यह समुद्र के मानव विकास के लिए एक महत्वपूर्ण सहायक है, और नौसेना और नागरिक नेविगेशन उद्योग का एक अनिवार्य हिस्सा है। सोनार उपकरण का कार्य पानी के भीतर उपयोगी सिग्नल को सुनना और उसे देखने के लिए विद्युत सिग्नल में परिवर्तित करना है; या एक विद्युत संकेत उत्पन्न करना और फिर इसे जल माध्यम में प्रसारित करने के लिए एक ध्वनिक संकेत में परिवर्तित करना, और फिर इसे वापस प्रतिबिंबित करना और लक्ष्य का सामना करने के बाद इसे प्राप्त करना। इसे सुनने या अवलोकन करने के लिए एक विद्युत संकेत में परिवर्तित किया जाता है, जिससे मापने वाली वस्तु का अभिविन्यास और दूरी निर्धारित होती है। इस पानी के नीचे इलेक्ट्रोकॉस्टिक सिग्नल की रूपांतरण प्रक्रिया में, प्रमुख उपकरण है पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर या ट्रांसड्यूसर सरणी।

का अनुप्रयोग पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर

वर्तमान में, पानी के भीतर ध्वनिक ट्रांसड्यूसर का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। उद्योग, कृषि, राष्ट्रीय रक्षा, परिवहन और चिकित्सा जैसे कई क्षेत्रों में यहां पानी के भीतर पता लगाने के लिए कुछ एप्लिकेशन दिए गए हैं:

(1) साउंडिंग में अनुप्रयोग: नेविगेशन सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए, युद्धपोतों और नागरिक जहाजों दोनों के लिए साउंडिंग सोनार स्थापित किया जाना चाहिए; विशेष चैनल निरीक्षण पोत उच्च परिशुद्धता और पूर्ण विशेषताओं वाले गहराई वाले साउंडर्स से सुसज्जित हैं। ध्वनि की गहराई के आधार पर, ध्वनि ट्रांसड्यूसर की आवृत्ति और शक्ति भी बहुत भिन्न होती है। आवृत्ति 10 किलोहर्ट्ज़ से 200 किलोवाट तक होती है, और शक्ति कई वाट से लेकर दसियों किलोवाट तक होती है। उनमें से, उच्च आवृत्ति और कम शक्ति का उपयोग अंतर्देशीय नदियों या उथले समुद्रों के लिए किया जाता है, और कम आवृत्ति और उच्च शक्ति का उपयोग समुद्री और गहरी गहराई के लिए किया जाता है। ऐसे ट्रांसड्यूसर की आवश्यकताएं बीम स्थिरीकरण और तेज मुख्य बीम हैं।

(2) का अनुप्रयोग स्थिति और रेंजिंग में पानी के नीचे पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर : जमीन पर जहाज की गति को मापना, ज्यादातर डॉपलर सोनार का उपयोग करना, कील के लंबवत बाएं और दाएं पक्षों की दिशा को व्यवस्थित करने के लिए समान प्रदर्शन वाले चार ट्रांसड्यूसर। सामान्य ऑपरेटिंग आवृत्ति 100kHz और 500kHz के बीच है।

(3) समुद्री सर्वेक्षण और पनडुब्बी स्ट्रैटिग्राफिक अन्वेषण में अनुप्रयोग: पनडुब्बी भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण मुख्य रूप से कम आवृत्ति वाले बड़े-एपर्चर सोनार का उपयोग करते हैं। टोड सोनार आज सक्रिय वाहक पर सबसे लंबी दूरी के साथ ध्वनिक सरणियों की सबसे बड़ी श्रृंखला है। पानी के भीतर इमेजिंग में, आमतौर पर उच्च-आवृत्ति साइड-व्यू सोनार का उपयोग किया जाता है। जहाज के बायीं और दायीं ओर कील के साथ दो रैखिक सरणियाँ सममित रूप से व्यवस्थित हैं। उनमें से प्रत्येक समुद्र तल पर एक पंखे के आकार की दिशात्मक किरण उत्सर्जित करता है, और फिर समुद्र तल से परावर्तित तरंगें प्राप्त करता है। असमान परावर्तन तरंग की तीव्रता अलग-अलग होती है, और अलग-अलग चमक वाली छवियां प्रदर्शित छवि पर दिखाई देती हैं। क्योंकि ऑपरेटिंग आवृत्ति अधिक है, ध्वनिक संकेत तेजी से क्षीण होता है, और कार्रवाई की सीमा दूर नहीं होती है। परीक्षण की आवृत्ति सीमा अब कई दसियों किलोहर्ट्ज़ से 500 हजार तक है। इसका वर्गीकरण है पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर एस.

पानी के नीचे अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर को विभिन्न इलेक्ट्रोमैकेनिकल ऊर्जा रूपांतरण सिद्धांतों के अनुसार इलेक्ट्रिक, इलेक्ट्रोमैग्नेटिक, मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव, इलेक्ट्रोस्टैटिक, पीजोइलेक्ट्रिक और इलेक्ट्रोस्ट्रिक्टिव में विभाजित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, सदी के मध्य में विकसित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक उच्च वोल्टेज डीसी ध्रुवीकरण उपचार के बाद पीजोइलेक्ट्रिक हैं। इसलिए, इसे इलेक्ट्रोस्ट्रिक्टिव सामग्री कहा जाता है और यह आज के पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर की मुख्यधारा है, खासकर अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर में। इस क्षेत्र में उपयोगों की एक अत्यंत विस्तृत श्रृंखला है। पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर को विभिन्न कंपन मोड के अनुसार निम्नलिखित श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है:

(1) अनुदैर्ध्य कंपन ट्रांसड्यूसर: इसकी कंपन दिशा अनुदैर्ध्य दिशा के समानांतर है। तनाव तरंग ट्रांसड्यूसर की लंबाई में फैलती है, और इसकी गुंजयमान मौलिक आवृत्ति लंबाई पर निर्भर करती है और यह सोनार प्रणालियों में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला प्रकार है।

(2) बेलनाकार ट्रांसड्यूसर: एक उपयुक्त यांत्रिक संरचना के माध्यम से वांछित लंबाई को माउंट करने के लिए एक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्यूब (या रिंग) का उपयोग किया जाता है। इसे क्षैतिज गैर-दिशात्मकता और ऊर्ध्वाधर दिशात्मकता नियंत्रण के साथ एक क्षैतिज ट्रांसड्यूसर में बनाया जा सकता है। यह एक प्रकार की सोनार प्रणाली है जो अनुदैर्ध्य ट्रांसड्यूसर के बाद दूसरे स्थान पर है। यह एक मानक हाइड्रोफोन भी है जिसका उपयोग आमतौर पर हाइड्रोकॉस्टिक मेट्रोलॉजी में किया जाता है। और मानक ट्रांसमीटरों के चयन में से एक।

(3) झुकने वाले कंपन ट्रांसड्यूसर: झुकने वाले कंपन ट्रांसड्यूसर में कम आवृत्तियों पर छोटे आकार और हल्के वजन के फायदे होते हैं (एक ही आवृत्ति पर समान सक्रिय सामग्री के ट्रांसड्यूसर की तुलना में), और कंपन रूप में घुमावदार बीम, घुमावदार डिस्क, घुमावदार प्लेटें आदि होते हैं।

(4) बेंडिंग एक्सटेंशन ट्रांसड्यूसर: बेंडिंग एक्सटेंशन ट्रांसड्यूसर आम तौर पर मिश्रित ट्रांसड्यूसर होते हैं जो कंपन के दो तरीकों को जोड़ते हैं। उदाहरण के लिए, एक अनुदैर्ध्य रूप से फैलने योग्य कंपन पट्टी और एक अलग प्रकार के घुमावदार आवरण को कई प्रकार के घुमावदार विस्तार ट्रांसड्यूसर में जोड़ा जाता है, और एक गोलाकार प्लानर रेडियल कंपन सक्रिय घटक को कटोरे के आकार के घुमावदार आवरण के साथ जोड़ा जा सकता है ताकि टाइप II झुकने वाला विस्तार बनाया जा सके। 

(5) गोलाकार ट्रांसड्यूसर: खोखले पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक गोलाकार खोल के श्वसन कंपन द्वारा बनाए गए गोलाकार ट्रांसड्यूसर में अच्छी स्थानिक समरूपता का लाभ होता है। इसे आमतौर पर पॉइंट सोर्स हाइड्रोफोन के रूप में उपयोग किया जाता है।

(6) कतरनी कंपन ट्रांसड्यूसर: कतरनी कंपन जिसमें कंपन की दिशा और ध्रुवीकरण की दिशा समानांतर होती है और ड्राइविंग विद्युत क्षेत्र की दिशा कंपन की दिशा के लंबवत होती है, कुछ विशेष उपयोग आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है। यह डेंटल कैलकुलस जैसे 1MH अंडरवाटर ट्रांसड्यूसर का रूप है।

 3. के मुख्य पैरामीटर पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर

के मुख्य प्रदर्शन संकेतक पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर पानी के नीचे काम करने की आवृत्ति, ऑपरेटिंग आवृत्ति रेंज, आवृत्ति बैंडविड्थ, उत्सर्जन ध्वनि स्रोत स्तर (ध्वनिक शक्ति) और उत्सर्जन प्रतिक्रिया, प्रत्यक्षता, संवेदनशीलता प्राप्त करना और संवेदनशीलता प्रतिक्रिया प्राप्त करना, उत्सर्जन दक्षता, गुणवत्ता कारक, प्रतिबाधा, अधिकतम कार्य गहराई, आकार और वजन हैं।

1) कार्य आवृत्ति

हाइड्रोकॉस्टिक ट्रांसड्यूसर की ऑपरेटिंग आवृत्ति या ऑपरेटिंग आवृत्ति रेंज आमतौर पर सोनार डिवाइस की ऑपरेटिंग आवृत्ति द्वारा निर्धारित की जाती है। ट्रांसड्यूसर की प्रतिबाधा, प्रत्यक्षता, संवेदनशीलता, संचारित शक्ति, आकार आदि सभी आवृत्ति के कार्य हैं। सामान्य तौर पर, ट्रांसमिट ट्रांसड्यूसर की गणना गुंजयमान आवृत्ति के आसपास या गुंजयमान आवृत्ति के निकट सीमित आवृत्ति बैंड में इसके प्रदर्शन सूचकांक के लिए की जाती है, इस आवृत्ति पर और इसके निकट अधिकतम उत्सर्जन दक्षता के साथ। एक वाइडबैंड प्राप्त ट्रांसड्यूसर के लिए पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर की गुंजयमान आवृत्ति, वाइडबैंड के भीतर एक फ्लैट प्राप्त प्रतिक्रिया सुनिश्चित करने और अनुनाद आवृत्ति और नीचे पर इसकी प्राप्त प्रतिक्रिया की गणना करने के लिए प्राप्त बैंड की ऊपरी सीमा से बहुत अधिक होनी चाहिए। फ़्रीक्वेंसी सोनार ट्रांसड्यूसर की आवृत्ति दसियों हर्ट्ज से लेकर कई किलोहर्ट्ज़ तक होती है, जबकि छोटे लक्ष्य का पता लगाने वाले सोनार ट्रांसड्यूसर की आवृत्ति दसियों किलोहर्ट्ज़ से लेकर सैकड़ों किलोहर्ट्ज़ तक होती है।

(2)निर्देशात्मकता

चाहे वह ट्रांसड्यूसर हो या ट्रांसड्यूसर ऐरे, उनकी ट्रांसमिट प्रतिक्रिया या प्रतिक्रिया प्राप्त करना उनकी दिशा के संबंध में बदल जाएगा। यह वह जगह है जहां ट्रांसड्यूसर दिशात्मक होता है, और ट्रांसमिटिंग ट्रांसड्यूसर द्वारा उत्सर्जित ध्वनि तरंगें सर्चलाइट द्वारा उत्सर्जित ध्वनि तरंगों के समान होती हैं। चूंकि ट्रांसड्यूसर में दिशात्मकता होती है, यह ऊर्जा को अधिक केंद्रित करने के लिए ध्वनि ऊर्जा को एक निश्चित स्थिति में केंद्रित कर सकता है। एक बड़ी सारणी बनाने के लिए बड़ी संख्या में ट्रांसड्यूसर का उपयोग किया जाता है। समान आवृत्ति पर दिशा अधिक तीव्र होती है, ऊर्जा अधिक संकेंद्रित होती है, और संचरण दूरी अधिक दूर होती है। सिग्नल-टू-शोर अनुपात बड़ा है और प्राप्त करने की स्थिति में दूरी लंबी है। यह प्रतिबाधा (या प्रवेश) विशेषताएँ हैं।

ट्रांसड्यूसर को गुंजयमान आवृत्ति के निकट एक सरल श्रृंखला-समानांतर समतुल्य सर्किट के रूप में देखा जा सकता है। सर्किट में प्रत्येक अवरोधक, संधारित्र, या प्रारंभ करनेवाला ट्रांसड्यूसर की अंतर्निहित विशेषताओं का प्रतिनिधित्व करता है, जो ट्रांसड्यूसर प्रतिबाधा (या प्रवेश) विशेषता है। ट्रांसमीटर के अंतिम लूप या रिसीवर के इनपुट सर्किट से मेल खाने के लिए ट्रांसड्यूसर की प्रतिबाधा विशेषताओं में महारत हासिल की जाती है। ट्रांसड्यूसर की प्रतिबाधा (या प्रवेश) एक जटिल संख्या है जो आवृत्ति का एक कार्य है और आम तौर पर इसे इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है: Z(w) = R(w) + jX(w) (ओम में)। यांत्रिक अनुनाद में, गतिशील वेरिस्टर शून्य हो जाता है, और स्थैतिक कैपेसिटिव प्रतिक्रिया को एक मिलान प्रारंभ करनेवाला के साथ ट्यून किया जा सकता है। इसे शुद्ध प्रतिरोध माना जा सकता है। पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर की विद्युत प्रतिबाधा आमतौर पर दसियों ओम से हजारों ओम तक होती है।

(4) शक्ति संचारित करना

सबमरीन रेंज फाइंडर का कार्य इलेक्ट्रॉनिक ट्रांसमीटर की विद्युत शक्ति को यांत्रिक कंपन की यांत्रिक शक्ति में परिवर्तित करना है, और फिर ट्रांसमिशन के लिए यांत्रिक शक्ति को ध्वनिक शक्ति में परिवर्तित करना है। संचरित ध्वनि शक्ति ट्रांसड्यूसर की भौतिक मात्रा को संदर्भित करती है जो प्रति इकाई समय में माध्यम में ऊर्जा विकीर्ण करती है। शक्ति की इकाई को वाट में व्यक्त किया जाता है। ट्रांसड्यूसर की संचारित शक्ति रेटेड वोल्टेज (या वर्तमान), गतिशील यांत्रिक शक्ति, तापमान और ढांकता हुआ विशेषताओं जैसे कारकों द्वारा सीमित है।

(5) प्रतिक्रिया लॉन्च करें

ट्रांसमिटिंग ट्रांसड्यूसर के प्रदर्शन को पूरी तरह से प्रतिबिंबित करने की क्षमता उत्सर्जन प्रतिक्रिया है, मुख्य रूप से उत्सर्जन वोल्टेज प्रतिक्रिया और उत्सर्जन वर्तमान प्रतिक्रिया। उत्सर्जन वोल्टेज प्रतिक्रिया एसवी की परिभाषा निर्दिष्ट दिशा में अपने प्रभावी ध्वनिक केंद्र से डी0 मीटर की दूरी पर ट्रांसमिटिंग ट्रांसड्यूसर द्वारा उत्पन्न मुक्त क्षेत्र स्पष्ट ध्वनि दबाव पीएफ और ट्रांसड्यूसर के इनपुट पर लागू वोल्टेज यू का अनुपात है: एसवी = पीएफडी0 /यू। उत्सर्जन वोल्टेज प्रतिक्रिया आमतौर पर डेसीबल में व्यक्त की जाती है।

उत्सर्जन वर्तमान प्रतिक्रिया निर्दिष्ट दिशा में अपने प्रभावी ध्वनिक केंद्र से d0 मीटर की दूरी पर ट्रांसमिटिंग ट्रांसड्यूसर द्वारा उत्पन्न मुक्त क्षेत्र स्पष्ट ध्वनि दबाव पीएफ और ट्रांसड्यूसर के इनपुट पर लागू वर्तमान I का अनुपात है: एसआई = पीएफ डी0 / आई। उत्सर्जन वोल्टेज प्रतिक्रिया आमतौर पर डेसीबल में व्यक्त की जाती है।

(6) संवेदनशीलता प्राप्त करना

ट्रांसड्यूसर की फ़ील्ड वोल्टेज संवेदनशीलता उस बिंदु को संदर्भित करती है जिस पर प्राप्त ट्रांसड्यूसर का खुला केंद्र वोल्टेज यू (डब्ल्यू) आउटपुट पर होता है और मुक्त क्षेत्र में ध्वनि का केंद्र होता है (यह मानते हुए कि प्राप्त ट्रांसड्यूसर मौजूद नहीं है)। ध्वनि दबाव Pf(w) का अनुपात M(w) है। ट्रांसड्यूसर प्राप्त करने के लिए, आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला पर घटना ध्वनिक संकेतों को प्राप्त करना वांछनीय है, जबकि पीज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर आमतौर पर गुंजयमान आवृत्ति के नीचे एक विस्तृत आवृत्ति रेंज पर काम करते हैं।

 (7) संवेदनशीलता प्राप्त करने में उतार-चढ़ाव

वाइडबैंड प्राप्त करने वाले ट्रांसड्यूसर को उपयोग की गई आवृत्ति रेंज पर अपेक्षाकृत सपाट प्रतिक्रिया प्राप्त करने की आवश्यकता होती है। आमतौर पर यह निर्दिष्ट किया जाता है कि ऑपरेटिंग आवृत्ति बैंड में प्राप्त वोल्टेज संवेदनशीलता में उतार-चढ़ाव ±1.5dB है।