Dasar-dasar transduser akustik bawah air

71% luas permukaan bumi adalah lautan. Lautan mengandung sumber daya hayati dan mineral yang melimpah, yang merupakan ruang kedua bagi kelangsungan hidup dan perkembangan manusia di masa depan. Sonar digunakan sebagai alat pendeteksi bawah air, merupakan penolong penting bagi perkembangan manusia di lautan, dan merupakan bagian tak terpisahkan dari industri navigasi angkatan laut dan sipil. Fungsi perangkat sonar adalah untuk mendengarkan sinyal berguna di bawah air dan mengubahnya menjadi sinyal listrik untuk dilihat; atau untuk menghasilkan sinyal listrik dan kemudian mengubahnya menjadi sinyal akustik untuk disebarkan di media air, dan kemudian dipantulkan kembali dan diterima setelah mencapai target. Ini diubah menjadi sinyal listrik untuk mendengarkan atau mengamati, sehingga menentukan orientasi dan jarak objek pengukuran. Dalam proses konversi sinyal elektroakustik bawah air ini, peralatan utamanya adalah transduser akustik bawah air atau susunan transduser.

Penerapan transduser akustik bawah air

Saat ini, transduser akustik bawah air telah banyak digunakan di berbagai bidang seperti industri, pertanian, pertahanan negara, transportasi dan medis. Berikut adalah beberapa aplikasi untuk deteksi bawah air:

(1) Penerapan dalam sounding: Untuk menjamin keselamatan navigasi, sonar sounding harus dipasang baik pada kapal perang maupun kapal sipil; kapal inspeksi saluran khusus dilengkapi dengan sounder kedalaman berpresisi tinggi dan berfitur lengkap. Tergantung pada kedalaman bunyi, frekuensi dan kekuatan transduser bunyi juga sangat berbeda. Frekuensinya berkisar antara 10 kHz hingga 200 kHz, dan daya berkisar dari beberapa watt hingga puluhan kilowatt. Diantaranya, frekuensi tinggi dan daya rendah digunakan untuk sungai pedalaman atau laut dangkal, dan frekuensi rendah dan daya tinggi digunakan untuk samudera dan kedalaman dalam. Persyaratan untuk transduser tersebut adalah stabilisasi sinar dan sinar utama yang tajam.

(2) Penerapan transduser piezoelektrik bawah air dalam penentuan posisi dan jangkauan: Mengukur kecepatan kapal ke darat, sebagian besar menggunakan sonar doppler, empat transduser dengan kinerja yang sama untuk mengatur arah sisi kiri dan kanan tegak lurus lunas. Frekuensi pengoperasian umum adalah antara 100kHz dan 500kHz.

(3) Penerapan dalam survei kelautan dan eksplorasi stratigrafi bawah laut: Survei geologi bawah laut terutama menggunakan sonar frekuensi rendah dengan bukaan besar. Sonar derek adalah rangkaian akustik terbesar pada pembawa aktif saat ini dengan jarak terjauh. Dalam pencitraan bawah air, sonar pandangan samping frekuensi tinggi biasanya digunakan. Dua buah susunan linier disusun secara simetris sepanjang lunas di sisi kiri dan kanan kapal. Masing-masing memancarkan sinar terarah berbentuk kipas ke dasar laut, kemudian menerima gelombang pantulan dari dasar laut. Intensitas gelombang pantulan yang tidak merata berbeda-beda, dan gambar dengan kecerahan berbeda muncul pada gambar yang ditampilkan. Karena frekuensi operasi lebih tinggi, sinyal akustik dilemahkan lebih cepat, dan jangkauan aksinya tidak jauh. Rentang frekuensi pengujian kini beberapa puluh kilohertz hingga 500 ribu. Ini adalah klasifikasi transduser akustik bawah air s.

Transduser ultrasonik bawah air dapat dibagi menjadi listrik, elektromagnetik, magnetostriktif, elektrostatik, piezoelektrik, dan elektrostriktif sesuai dengan prinsip konversi energi elektromekanis yang berbeda. Misalnya, keramik piezoelektrik yang dikembangkan pada pertengahan abad ini adalah keramik piezoelektrik setelah perlakuan polarisasi DC tegangan tinggi. Oleh karena itu, disebut bahan elektrostriktif dan merupakan arus utama transduser piezoelektrik saat ini, terutama pada transduser ultrasonik. Bidang ini memiliki kegunaan yang sangat luas. Itu transduser akustik bawah air dapat dibagi ke dalam kategori berikut sesuai dengan mode getaran yang berbeda:

(1) Transduser getaran memanjang: arah getarannya sejajar dengan arah memanjang. Gelombang tegangan merambat sepanjang transduser, dan frekuensi dasar resonansinya bergantung pada panjangnya dan merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam sistem sonar.

(2) Transduser silinder: Tabung (atau cincin) keramik piezoelektrik digunakan untuk memasang panjang yang diinginkan melalui struktur mekanis yang sesuai. Ini dapat dibuat menjadi transduser horizontal dengan kontrol non-arah horizontal dan kontrol arah vertikal. Ini adalah jenis sistem sonar yang kedua setelah transduser longitudinal. Ini juga merupakan hidrofon standar yang biasa digunakan dalam metrologi hidroakustik. Dan salah satu pilihan pemancar standar.

(3) Transduser getaran tekuk: Transduser getaran tekuk memiliki keunggulan ukurannya yang kecil dan ringan pada frekuensi rendah (dibandingkan dengan transduser dari bahan aktif yang sama pada frekuensi yang sama), dan bentuk getarannya memiliki balok melengkung, cakram melengkung, pelat melengkung, dll.

(4) Transduser ekstensi pembengkokan: Transduser ekstensi pembengkokan umumnya merupakan transduser komposit yang menggabungkan dua mode getaran. Misalnya, batang getar yang dapat diregangkan secara longitudinal dan jenis selubung lengkung yang berbeda digabungkan menjadi sejumlah jenis transduser ekstensi lengkung, dan komponen aktif getaran radial planar melingkar dapat digabungkan dengan selubung lengkung berbentuk mangkuk untuk membentuk ekstensi lentur tipe II. 

(5) Transduser bola: Transduser bola yang dibuat oleh getaran pernapasan dari cangkang bola keramik piezoelektrik berongga memiliki keunggulan simetri spasial yang baik. Biasanya digunakan sebagai hidrofon sumber titik.

(6) Transduser getaran geser: Getaran geser yang arah getaran dan arah polarisasinya sejajar dan arah medan listrik penggeraknya tegak lurus terhadap arah getaran dapat memenuhi persyaratan penggunaan khusus tertentu. Ini adalah bentuk transduser bawah air 1MH seperti kalkulus gigi.

 3. Parameter utama transduser akustik bawah air

Indikator kinerja utama dari transduser akustik bawah air adalah frekuensi kerja bawah air, rentang frekuensi operasi, bandwidth frekuensi, tingkat sumber suara emisi (daya akustik) dan respon emisi, directivity, sensitivitas penerimaan dan respon sensitivitas penerimaan, efisiensi emisi, faktor kualitas, Impedansi, kedalaman kerja maksimum, ukuran dan berat.

1) Frekuensi kerja

Frekuensi pengoperasian atau rentang frekuensi pengoperasian transduser hidroakustik biasanya ditentukan oleh frekuensi pengoperasian perangkat sonar. Impedansi, directivity, sensitivitas, daya pancar, ukuran, dll. transduser adalah fungsi frekuensi. Secara umum, transduser transmisi dihitung indeks kinerjanya dalam pita frekuensi terbatas di sekitar frekuensi resonansi atau di dekat frekuensi resonansi, dengan efisiensi emisi maksimum pada dan dekat frekuensi ini. Untuk transduser penerima pita lebar, frekuensi resonansi transduser piezoelektrik harus jauh lebih tinggi daripada batas atas pita penerima untuk memastikan respons penerimaan datar dalam pita lebar dan untuk menghitung respons penerimaannya pada frekuensi resonansi dan di bawahnya. Transduser sonar frekuensi memiliki rentang frekuensi dari puluhan Hz hingga beberapa kilohertz, sedangkan transduser sonar pendeteksi target kecil berkisar dari puluhan kilohertz hingga ratusan kilohertz.

(2) Direktivitas

Baik itu transduser atau susunan transduser, respons transmisi atau respons penerimaannya akan berubah sesuai arahnya. Di sinilah transduser terarah, dan gelombang suara yang dipancarkan oleh transduser pemancar sama dengan yang dipancarkan oleh lampu sorot. Karena transduser mempunyai directivity, ia dapat memusatkan energi suara ke posisi tertentu untuk membuat energi lebih terkonsentrasi. Sejumlah besar transduser digunakan untuk membentuk susunan yang lebih besar. Directivity lebih tajam pada frekuensi yang sama, energi lebih terkonsentrasi, dan jarak transmisi lebih jauh. Rasio signal-to-noise lebih besar dan jarak penerimaan lebih jauh. Ini adalah karakteristik impedansi (atau penerimaan).

Transduser dapat dipandang sebagai rangkaian ekivalen seri-paralel sederhana yang dekat dengan frekuensi resonansi. Setiap resistor, kapasitor, atau induktor dalam rangkaian mewakili karakteristik bawaan transduser, yang merupakan karakteristik impedansi (atau penerimaan) transduser. Karakteristik impedansi transduser dikuasai agar sesuai dengan rangkaian input loop akhir pemancar atau penerima. Impedansi (atau penerimaan) transduser adalah bilangan kompleks yang merupakan fungsi frekuensi dan secara umum dapat dinyatakan sebagai: Z(w) = R(w) + jX(w) (dalam ohm). Dalam resonansi mekanis, varistor dinamis cenderung nol, dan reaktansi kapasitif statis dapat disetel dengan induktor yang cocok. Ini bisa dianggap sebagai perlawanan murni. Impedansi listrik transduser piezoelektrik biasanya berkisar antara puluhan ohm hingga ribuan ohm.

(4) Mengirimkan daya

Fungsi pencari jangkauan kapal selam adalah untuk mengubah tenaga listrik pemancar elektronik menjadi tenaga mekanik getaran mekanis, dan kemudian mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga akustik untuk transmisi. Kekuatan suara yang ditransmisikan mengacu pada kuantitas fisik transduser yang memancarkan energi ke medium per satuan waktu. Satuan daya dinyatakan dalam watt. Daya pancar transduser dibatasi oleh faktor-faktor seperti tegangan pengenal (atau arus), kekuatan mekanik dinamis, suhu, dan karakteristik dielektrik.

(5) Luncurkan respons

Kemampuan untuk sepenuhnya mencerminkan kinerja transduser transmisi adalah respon emisi, terutama respon tegangan emisi dan respon arus emisi. Definisi respons tegangan emisi SV adalah rasio tekanan suara nyata medan bebas Pf yang dihasilkan oleh transduser pemancar pada jarak d0 m dari pusat akustik efektifnya dalam arah yang ditentukan dan tegangan U yang diterapkan ke masukan transduser: SV=Pfd0 /U. Respon tegangan emisi biasanya dinyatakan dalam desibel.

Respons arus emisi adalah rasio tekanan suara nyata medan bebas Pf yang dihasilkan oleh transduser pemancar pada jarak d0 m dari pusat akustik efektifnya dalam arah yang ditentukan dan arus I yang diterapkan ke input transduser: SI = Pf d0 / I . Respon tegangan emisi biasanya dinyatakan dalam desibel.

(6) Menerima kepekaan

Sensitivitas tegangan medan transduser mengacu pada titik di mana tegangan pusat terbuka transduser penerima U(w) berada pada keluaran dan pusat suara di medan bebas (dengan asumsi transduser penerima tidak ada). Perbandingan tekanan bunyi Pf(w) adalah M(w). Untuk transduser penerima, diinginkan untuk menerima sinyal akustik yang terjadi pada rentang frekuensi yang luas, sedangkan transduser piezoelektrik biasanya beroperasi pada rentang frekuensi yang luas di bawah frekuensi resonansi.

 (7) Fluktuasi sensitivitas penerimaan

transduser penerima pita lebar memerlukan respons penerimaan yang relatif datar pada rentang frekuensi yang digunakan. Biasanya ditentukan bahwa fluktuasi sensitivitas tegangan penerima adalah ±1,5dB pada pita frekuensi pengoperasian.