Nozioni di base sul trasduttore acustico subacqueo

Il 71% della superficie terrestre è costituita da oceani. L’oceano contiene abbondanti risorse biologiche e minerali, che rappresentano il secondo spazio per la sopravvivenza e lo sviluppo umano in futuro. Il sonar viene utilizzato per un dispositivo di rilevamento subacqueo, è un importante aiuto per lo sviluppo umano dell'oceano ed è una parte indispensabile del settore della navigazione navale e civile. La funzione del dispositivo sonar è quella di ascoltare il segnale utile subacqueo e convertirlo in un segnale elettrico per la visualizzazione; oppure generare un segnale elettrico e poi convertirlo in un segnale acustico da propagare nell'ambiente acquatico, per poi rifletterlo e riceverlo dopo aver incontrato il bersaglio. Viene convertito in un segnale elettrico per l'ascolto o l'osservazione, determinando così l'orientamento e la distanza dell'oggetto da misurare. Nel processo di conversione di questo segnale elettroacustico subacqueo, l'apparecchiatura chiave è il trasduttore acustico subacqueo o il gruppo di trasduttori.

Applicazione di trasduttore acustico subacqueo

Attualmente, I trasduttori acustici subacquei sono stati ampiamente utilizzati in molti campi come l'industria, l'agricoltura, la difesa nazionale, i trasporti e la medicina. Ecco solo alcune delle applicazioni per il rilevamento subacqueo:

(1) Applicazione nel sondaggio: al fine di garantire la sicurezza della navigazione, il sonar dovrebbe essere installato sia sulle navi da guerra che sulle navi civili; le navi speciali per l'ispezione dei canali sono dotate di ecoscandagli completi e ad alta precisione. A seconda della profondità del sondaggio, anche la frequenza e la potenza del trasduttore del sondaggio sono molto diverse. La frequenza varia da 10 kHz a 200 kHz e la potenza varia da diversi watt a decine di kilowatt. Tra questi, l'alta frequenza e la bassa potenza vengono utilizzate per i fiumi interni o i mari poco profondi, mentre la bassa frequenza e l'alta potenza vengono utilizzate per le profondità oceaniche e profonde. I requisiti per tali trasduttori sono la stabilizzazione del fascio e un fascio abbagliante nitido.

(2) Applicazione di Trasduttori piezoelettrici subacquei di posizionamento e portata: misurazione della velocità della nave rispetto al suolo, principalmente utilizzando sonar doppler, quattro trasduttori con le stesse prestazioni per disporre la direzione dei lati sinistro e destro perpendicolari alla chiglia. La frequenza operativa generale è compresa tra 100kHz e 500kHz.

(3) Applicazioni nei rilievi marini e nell'esplorazione stratigrafica sottomarina: i rilievi geologici sottomarini utilizzano principalmente sonar a bassa frequenza e ad ampia apertura. Il sonar trainato è oggi la più grande serie di sistemi acustici sulla portante attiva con la distanza più lunga. Nell'imaging subacqueo viene solitamente utilizzato il sonar con vista laterale ad alta frequenza. Due array lineari sono disposti simmetricamente lungo la chiglia nei lati sinistro e destro della nave. Ciascuno di essi emette un raggio direzionale a forma di ventaglio sul fondo del mare, e poi riceve le onde riflesse dal fondo del mare. L'intensità dell'onda di riflessione irregolare è diversa e sull'immagine visualizzata appaiono immagini con luminosità diversa. Poiché la frequenza operativa è più elevata, il segnale acustico viene attenuato più velocemente e il raggio d'azione non è lontano. La gamma di frequenza del test è ora compresa tra diverse decine di kilohertz e 500mila. È la classificazione di trasduttore acustico subacqueo s.

Il trasduttore ultrasonico subacqueo può essere suddiviso in elettrico, elettromagnetico, magnetostrittivo, elettrostatico, piezoelettrico ed elettrostrittivo secondo diversi principi di conversione dell'energia elettromeccanica. Ad esempio, le ceramiche piezoelettriche sviluppate a metà del secolo sono piezoelettriche dopo il trattamento di polarizzazione CC ad alta tensione. Pertanto, è chiamato materiale elettrostrittivo ed è la corrente principale dei trasduttori piezoelettrici odierni, soprattutto nei trasduttori a ultrasuoni. Il campo ha una gamma estremamente ampia di usi. IL i trasduttori acustici subacquei possono essere suddivisi nelle seguenti categorie in base alle diverse modalità di vibrazione:

(1) Trasduttore di vibrazione longitudinale: la sua direzione di vibrazione è parallela alla direzione longitudinale. L'onda di stress si propaga nella lunghezza del trasduttore e la sua frequenza fondamentale di risonanza dipende dalla lunghezza ed è il tipo più utilizzato nei sistemi sonar.

(2) Trasduttore cilindrico: un tubo ceramico piezoelettrico (o anello) viene utilizzato per montare la lunghezza desiderata attraverso un'adeguata struttura meccanica. Può essere trasformato in un trasduttore orizzontale con controllo della non direzionalità orizzontale e della direttività verticale. È un tipo di sistema sonar secondo solo al trasduttore longitudinale. È anche un idrofono standard comunemente utilizzato nella metrologia idroacustica. E una delle selezioni di trasmettitori standard.

(3) Trasduttore di vibrazione di flessione: il trasduttore di vibrazione di flessione presenta i vantaggi di dimensioni ridotte e leggerezza alle basse frequenze (rispetto ai trasduttori dello stesso materiale attivo alla stessa frequenza) e la forma di vibrazione ha travi curve, dischi curvi, piastre curve, ecc.

(4) Trasduttori di estensione di flessione: i trasduttori di estensione di flessione sono generalmente trasduttori compositi che combinano due modalità di vibrazione. Ad esempio, una barra vibrante allungabile longitudinalmente e un diverso tipo di involucro curvo sono combinati in una pluralità di tipi di trasduttori di estensione curva, e un componente attivo di vibrazione radiale planare circolare può essere combinato con un involucro curvo a forma di scodella per formare un'estensione di flessione di tipo II. 

(5) Trasduttore sferico: il trasduttore sferico costituito dalla vibrazione respiratoria del guscio sferico ceramico piezoelettrico cavo presenta il vantaggio di una buona simmetria spaziale. È comunemente usato come idrofono con sorgente puntiforme.

(6) Trasduttore di vibrazione di taglio: la vibrazione di taglio in cui la direzione della vibrazione e la direzione della polarizzazione sono parallele e la direzione del campo elettrico motrice è perpendicolare alla direzione della vibrazione può soddisfare determinati requisiti di utilizzo speciali. Questa è la forma di un trasduttore subacqueo da 1MH come un calcolo dentale.

 3. Parametri principali di trasduttore acustico subacqueo

I principali indicatori di prestazione di I trasduttori acustici subacquei sono la frequenza di lavoro subacquea, la gamma di frequenza operativa, la larghezza di banda di frequenza, il livello della sorgente sonora di emissione (potenza acustica) e la risposta dell'emissione, la direttività, la sensibilità di ricezione e la risposta della sensibilità di ricezione, l'efficienza di emissione, il fattore di qualità, l'impedenza, la massima profondità di lavoro, le dimensioni e il peso.

1) Frequenza di lavoro

La frequenza operativa o l'intervallo di frequenza operativa di un trasduttore idroacustico è generalmente determinata dalla frequenza operativa del dispositivo sonar. L'impedenza, la direttività, la sensibilità, la potenza di trasmissione, le dimensioni, ecc. del trasduttore sono tutte funzioni della frequenza. In generale, il trasduttore di trasmissione viene calcolato per il suo indice di prestazione nella banda di frequenza limitata attorno alla frequenza di risonanza o vicino alla frequenza di risonanza, con la massima efficienza di emissione a e vicino a questa frequenza. Per un trasduttore di ricezione a banda larga, la frequenza di risonanza del trasduttore piezoelettrico dovrebbe essere molto superiore al limite superiore della banda di ricezione per garantire una risposta di ricezione piatta all'interno della banda larga e per calcolare la sua risposta di ricezione alla frequenza di risonanza e al di sotto. La frequenza dei trasduttori sonar varia da decine di Hz a diversi kilohertz, mentre quella dei trasduttori sonar per il rilevamento di piccoli bersagli varia da decine di kilohertz a centinaia di kilohertz.

(2)Direttività

Che si tratti di un trasduttore o di un array di trasduttori, la risposta di trasmissione o di ricezione cambierà rispetto alla direzione. Qui è dove il trasduttore è direzionale e le onde sonore emesse dal trasduttore trasmittente sono le stesse emesse dal proiettore. Poiché il trasduttore ha direttività, può concentrare l'energia sonora in una determinata posizione per renderla più concentrata. Un gran numero di trasduttori viene utilizzato per formare un array più ampio. La direttività è più nitida alla stessa frequenza, l'energia è più concentrata e la distanza di trasmissione è maggiore. Il rapporto segnale-rumore è maggiore e la distanza è maggiore nello stato di ricezione. Sono le caratteristiche di impedenza (o ammettenza).

Il trasduttore può essere visto come un semplice circuito equivalente serie-parallelo vicino alla frequenza di risonanza. Ciascun resistore, condensatore o induttore nel circuito rappresenta le caratteristiche intrinseche del trasduttore, ovvero la caratteristica di impedenza (o ammettenza) del trasduttore. Le caratteristiche di impedenza del trasduttore sono studiate per adattarsi al circuito di ingresso del loop o ricevitore finale del trasmettitore. L'impedenza (o ammettenza) di un trasduttore è un numero complesso che è una funzione della frequenza e può generalmente essere espresso come: Z(w) = R(w) + jX(w) (in ohm). Nella risonanza meccanica, il varistore dinamico tende a zero e la reattanza capacitiva statica può essere sintonizzata con un induttore di adattamento. Questa può essere considerata una pura resistenza. L'impedenza elettrica del trasduttore piezoelettrico è tipicamente compresa tra decine di ohm e migliaia di ohm.

(4) Potenza di trasmissione

La funzione del telemetro sottomarino è convertire la potenza elettrica del trasmettitore elettronico in potenza meccanica di vibrazione meccanica, quindi convertire la potenza meccanica in potenza acustica per la trasmissione. La potenza sonora trasmessa si riferisce alla quantità fisica del trasduttore che irradia energia nel mezzo nell'unità di tempo. L'unità di potenza è espressa in watt. La potenza di trasmissione del trasduttore è limitata da fattori quali tensione (o corrente) nominale, resistenza meccanica dinamica, temperatura e caratteristiche dielettriche.

(5) Risposta al lancio

La capacità di riflettere pienamente le prestazioni del trasduttore trasmittente è la risposta all'emissione, principalmente la risposta alla tensione di emissione e la risposta alla corrente di emissione. La definizione della risposta alla tensione di emissione SV è il rapporto tra la pressione sonora apparente in campo libero Pf generata dal trasduttore trasmittente ad una distanza d0 m dal suo centro acustico effettivo nella direzione specificata e la tensione U applicata all'ingresso del trasduttore: SV=Pfd0 /U. La risposta alla tensione di emissione è solitamente espressa in decibel.

La risposta alla corrente di emissione è il rapporto tra la pressione sonora apparente in campo libero Pf generata dal trasduttore trasmittente a una distanza d0 m dal suo centro acustico effettivo nella direzione specificata e la corrente I applicata all'ingresso del trasduttore: SI = Pf d0 / I . La risposta alla tensione di emissione è solitamente espressa in decibel.

(6) Ricevi sensibilità

La sensibilità alla tensione di campo del trasduttore si riferisce al punto in cui la tensione a centro aperto U(w) del trasduttore ricevente è in uscita e il centro del suono in campo libero (assumendo che il trasduttore ricevente non sia presente). Il rapporto tra la pressione sonora Pf(w) è M(w). Per i trasduttori riceventi, è desiderabile ricevere segnali acustici incidenti su un'ampia gamma di frequenze, mentre i trasduttori piezoelettrici tipicamente funzionano su un'ampia gamma di frequenze al di sotto della frequenza di risonanza.

 (7) Fluttuazione della sensibilità di ricezione

i trasduttori di ricezione a banda larga richiedono una risposta di ricezione relativamente piatta nell'intervallo di frequenza utilizzato. Di solito viene specificato che la fluttuazione della sensibilità della tensione di ricezione è di ±1,5 dB nella banda di frequenza operativa.