Osnove podvodnog akustičnog pretvarača

71% Zemljine površine čine oceani. Ocean sadrži obilne biološke i mineralne resurse, što je drugi prostor za ljudski opstanak i razvoj u budućnosti. Sonar se koristi kao uređaj za podvodnu detekciju, važan je pomagač ljudskom razvoju oceana i neizostavan je dio pomorske i civilne navigacijske industrije. Funkcija sonara je slušati podvodni korisni signal i pretvarati ga u električni signal za gledanje; ili generirati električni signal i zatim ga pretvoriti u akustični signal koji će se širiti u vodenom mediju, a zatim ga reflektirati natrag i primiti nakon susreta s metom. Pretvara se u električni signal za slušanje ili promatranje, čime se određuje orijentacija i udaljenost mjernog objekta. U procesu pretvorbe ovog podvodnog elektroakustičkog signala, ključna oprema je podvodni akustični pretvornik ili niz pretvornika.

Primjena od podvodni akustični pretvarač

trenutno, podvodni akustični pretvarači naširoko su korišteni u mnogim područjima kao što su industrija, poljoprivreda, nacionalna obrana, transport i medicina. Evo samo nekoliko aplikacija za podvodno otkrivanje:

(1) Primjena u sondiranju: Kako bi se osigurala sigurnost plovidbe, sonar za sondiranje trebao bi biti instaliran i na ratnim i na civilnim brodovima; posebne posude za pregled kanala opremljene su dubinomjerima visoke preciznosti s punim značajkama. Ovisno o dubini sondiranja, frekvencija i snaga sondnog pretvarača također su vrlo različite. Frekvencija se kreće od 10 kHz do 200 kHz, a snaga od nekoliko vata do desetaka kilovata. Među njima, visoka frekvencija i niska snaga koriste se za unutarnje rijeke ili plitka mora, a niska frekvencija i velika snaga koriste se za oceanske i velike dubine. Zahtjevi za takve pretvarače su stabilizacija snopa i oštar glavni snop.

(2) Primjena podvodni piezoelektrični pretvarači za pozicioniranje i određivanje dometa: Mjerenje brzine broda prema tlu, uglavnom korištenjem doppler sonara, četiri pretvarača s istim performansama za postavljanje smjera lijeve i desne strane okomito na kobilicu. Opća radna frekvencija je između 100kHz i 500kHz.

(3) Primjene u pomorskim istraživanjima i podmorskim stratigrafskim istraživanjima: podmorska geološka istraživanja uglavnom koriste niskofrekventni sonar velikog otvora. Tegljeni sonar najveći je niz akustičnih nizova na aktivnom nosaču danas s najvećom udaljenosti. U podvodnom snimanju obično se koristi visokofrekventni bočni sonar. Dva linearna niza raspoređena su simetrično duž kobilice na lijevom i desnom boku broda. Svaki od njih emitira usmjerenu zraku u obliku lepeze prema morskom dnu, a zatim prima reflektirane valove od morskog dna. Intenzitet neravnomjernog refleksijskog vala je različit, a na prikazanoj slici pojavljuju se slike različite svjetline. Budući da je radna frekvencija viša, akustični signal se brže slabi, a domet djelovanja nije daleko. Frekvencijski raspon testa sada je nekoliko desetaka kiloherca do 500 tisuća. To je klasifikacija podvodni akustični pretvarač s.

Podvodni ultrazvučni pretvornik može se podijeliti na električni, elektromagnetski, magnetostrikcijski, elektrostatski, piezoelektrični i elektrostrikcijski prema različitim principima elektromehaničke pretvorbe energije. Na primjer, piezoelektrična keramika razvijena sredinom stoljeća je piezoelektrična nakon tretmana visokonaponskom istosmjernom polarizacijom. Stoga se naziva elektrostrikcijskim materijalom i glavni je tok današnjih piezoelektričnih pretvornika, posebice ultrazvučnih pretvornika. Polje ima iznimno širok raspon upotrebe. The podvodni akustični pretvarač može se podijeliti u sljedeće kategorije prema različitim načinima vibracije:

(1) Uzdužni pretvarač vibracija: njegov smjer vibracija je paralelan s uzdužnim smjerom. Val naprezanja širi se po duljini pretvornika, a njegova osnovna rezonantna frekvencija ovisi o duljini i najrašireniji je tip u sonarnim sustavima.

(2) Cilindrični pretvarač: piezoelektrična keramička cijev (ili prsten) koristi se za postavljanje željene duljine kroz prikladnu mehaničku strukturu. Može se napraviti u horizontalni pretvarač s horizontalnom neusmjerenošću i vertikalnom kontrolom usmjerenosti. To je vrsta sonarnog sustava koja je odmah iza uzdužnog pretvarača. To je također standardni hidrofon koji se obično koristi u hidroakustičnom mjeriteljstvu. I jedan od izbora standardnih odašiljača.

(3) Pretvornik vibracija na savijanje: Pretvornik vibracija na savijanje ima prednosti male veličine i male težine na niskim frekvencijama (u usporedbi s pretvornicima od istog aktivnog materijala na istoj frekvenciji), a oblik vibracija ima zakrivljene grede, zakrivljene diskove, zakrivljene ploče itd.

(4) Produžni pretvornici savijanja: Produžni pretvornici savijanja općenito su kompozitni pretvornici koji kombiniraju dva načina vibracije. Na primjer, uzdužno rastezljiva vibrirajuća šipka i različita vrsta zakrivljenog kućišta kombiniraju se u mnoštvo tipova zakrivljenih produžetaka, a kružna planarna radijalna vibracijska aktivna komponenta može se kombinirati sa zakrivljenim kućištem u obliku zdjele kako bi se formirao produžetak za savijanje tipa II. 

(5) Sferični pretvarač: Sferični pretvarač izrađen respiratornom vibracijom šuplje piezoelektrične keramičke sferične ljuske ima prednost dobre prostorne simetrije. Obično se koristi kao točkasti hidrofon.

(6) Transduktor smičnih vibracija: Smične vibracije u kojima su smjer vibracija i smjer polarizacije paralelni, a smjer pogonskog električnog polja okomit na smjer vibracija, mogu ispuniti određene zahtjeve posebne uporabe. Ovo je oblik 1MH podvodne sonde kao što je zubni kamenac.

 3. Glavni parametri od podvodni akustični pretvarač

Glavni pokazatelji uspješnosti podvodni akustični pretvornik su podvodna radna frekvencija, radni frekvencijski raspon, frekvencijski pojas, razina izvora zvuka emisije (akustična snaga) i odziv emisije, usmjerenost, osjetljivost prijama i odziv osjetljivosti prijama, učinkovitost emisije, faktor kvalitete, impedancija, najveća radna dubina, veličina i težina.

1) Radna frekvencija

Radna frekvencija ili radni frekvencijski raspon hidroakustičkog pretvarača obično se određuje radnom frekvencijom sonara. Impedancija, usmjerenost, osjetljivost, snaga odašiljanja, veličina itd. pretvarača su sve funkcije frekvencije. Općenito, pretvornik odašiljača izračunava se za svoj indeks učinkovitosti u ograničenom frekvencijskom pojasu oko rezonantne frekvencije ili blizu rezonantne frekvencije, s maksimalnom učinkovitošću emisije na i blizu te frekvencije. Za širokopojasni prijamni pretvarač, rezonantna frekvencija piezoelektričnog pretvarača trebala bi biti puno viša od gornje granice prijamnog pojasa kako bi se osigurao ravan prijamni odziv unutar širokopojasnog i kako bi se izračunao njegov prijemni odziv na rezonantnoj frekvenciji i niže. Frekventni sonarni pretvornici imaju raspon frekvencija od desetaka Hz do nekoliko kiloherca, dok mali sonarni pretvornici za otkrivanje ciljeva imaju raspon od desetaka kiloherca do stotina kiloherca.

(2) Usmjerenost

Bilo da se radi o sondi ili nizu sondi, njihov odziv na slanje ili prijam mijenjat će se s obzirom na njihov smjer. Tu je sonda usmjerena, a zvučni valovi koje emitira transduktor jednaki su onima koje emitira reflektor. Budući da pretvornik ima usmjerenost, može koncentrirati zvučnu energiju na određeni položaj kako bi energija bila koncentriranija. Za formiranje većeg niza koristi se velik broj pretvarača. Usmjerenost je oštrija na istoj frekvenciji, energija je koncentriranija, a udaljenost prijenosa veća. Omjer signala i šuma je veći i udaljenost je veća u stanju prijema. To je karakteristika impedancije (ili admitancije).

Pretvornik se može promatrati kao jednostavan serijsko-paralelni ekvivalentni krug blizu rezonantne frekvencije. Svaki otpornik, kondenzator ili induktor u krugu predstavlja svojstvene karakteristike pretvarača, što je karakteristika impedancije (ili admitancije) pretvarača. Karakteristike impedancije pretvornika upravljaju se tako da odgovaraju ulaznom krugu konačne petlje odašiljača ili prijemnika. Impedancija (ili admitansa) pretvornika složen je broj koji je funkcija frekvencije i općenito se može izraziti kao: Z(w) = R(w) + jX(w) (u ohmima). U mehaničkoj rezonanciji dinamički varistor teži nuli, a statička kapacitivna reaktancija može se ugoditi odgovarajućim induktorom. To se može smatrati čistim otporom. Električna impedancija piezoelektričnog pretvarača obično je u rasponu od desetaka ohma do tisuća ohma.

(4) Snaga prijenosa

Funkcija daljinomjera Submarine je pretvaranje električne energije elektroničkog odašiljača u mehaničku snagu mehaničkih vibracija, a zatim pretvaranje mehaničke snage u akustičnu snagu za prijenos. Snaga prenesenog zvuka odnosi se na fizičku količinu pretvarača koji zrači energiju u medij po jedinici vremena. Jedinica snage izražava se u vatima. Snaga prijenosa pretvornika ograničena je čimbenicima kao što su nazivni napon (ili struja), dinamička mehanička čvrstoća, temperatura i dielektrične karakteristike.

(5) Odgovor na lansiranje

Sposobnost potpunog odražavanja performansi odašiljačkog pretvarača je odziv emisije, uglavnom odziv napona emisije i odziv struje emisije. Definicija odziva napona emisije SV je omjer prividnog zvučnog tlaka slobodnog polja Pf koji generira pretvornik za odašiljanje na udaljenosti od d0 m od svog efektivnog akustičkog središta u navedenom smjeru i napona U primijenjenog na ulaz pretvornika: SV=Pfd0 /U. Odziv emisionog napona obično se izražava u decibelima.

Odziv struje emisije omjer je prividnog zvučnog tlaka slobodnog polja Pf koji generira odašiljački pretvornik na udaljenosti d0 m od svog efektivnog akustičkog središta u navedenom smjeru i struje I dovedene na ulaz pretvornika: SI = Pf d0 / I . Odziv emisionog napona obično se izražava u decibelima.

(6) Osjetljivost prijema

Osjetljivost napona polja pretvornika odnosi se na točku u kojoj je otvoreni središnji napon prijemnog pretvarača U(w) na izlazu i središtu zvuka u slobodnom polju (pod pretpostavkom da prijemni pretvornik nije prisutan). Omjer zvučnog tlaka Pf(w) je M(w). Za prijamne pretvarače poželjno je primati upadne akustične signale u širokom rasponu frekvencija, dok piezoelektrični pretvarači obično rade u širokom frekvencijskom rasponu ispod rezonantne frekvencije.

 (7) Fluktuacija prijemne osjetljivosti

širokopojasni prijemni pretvornici zahtijevaju relativno ravan prijamni odziv u korištenom frekvencijskom rasponu. Obično se navodi da je fluktuacija osjetljivosti prijemnog napona ±1,5 dB u radnom frekvencijskom pojasu.