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地球の表面積の 71% は海です。海洋には豊富な生物資源と鉱物資源が存在し、将来の人類の生存と発展のための第二の空間です。ソナーは水中探知装置として使用され、人類の海洋開発に重要な役割を果たしており、海軍および民間の航行産業にとって不可欠な部分です。ソナー装置の機能は、水中の有用な信号を受信し、それを表示用の電気信号に変換することです。または、電気信号を生成し、それを音響信号に変換して水中を伝播し、ターゲットに遭遇した後に反射して受信します。それを電気信号に変換して聞いたり観察したりすることで、測定対象物の方向や距離を測定します。この水中電気音響信号の変換プロセスにおいて、重要な装置となるのが、 水中音響トランスデューサ またはトランスデューサアレイ。
の適用 水中音響トランスデューサー
現在のところ、 水中音響トランスデューサは、産業、農業、国防、輸送、医療などの多くの分野で広く使用されています。ここでは、水中検出のアプリケーションのほんの一部を紹介します。
(1) 測深への応用：航行の安全を確保するために、軍艦と民間船舶の両方に測深ソナーを設置する必要がある。特別なチャンネルの検査船には、高精度でフル機能の深度測深機が装備されています。サウンディングの深さに応じて、サウンディングトランスデューサーの周波数とパワーも大きく異なります。周波数の範囲は10 kHzから200 kHz、電力は数ワットから数十キロワットの範囲です。このうち、内陸の河川や浅海では高周波・低出力が、海洋・深海では低周波・高出力が使用されます。このようなトランスデューサの要件は、ビームの安定化とシャープなメインビームです。
(2) 適用 位置決めと測距における水中圧電トランスデューサー : 主にドップラーソナーを使用して、船の対地速度を測定します。同じ性能の 4 つのトランスデューサーを左右の方向をキールに対して垂直に配置します。一般的な動作周波数は 100kHz ～ 500kHz です。
(3) 海洋調査・海底層序探査への応用：海底地質調査には主に低周波大口径ソナーが使用されます。曳航式ソナーは、現在の現役航空会社に搭載されている最大の音響アレイであり、最長の距離を誇ります。水中撮影には通常、高周波サイドビューソナーが使用されます。 2 つの直線アレイが船の左側と右側のキールに沿って対称的に配置されています。それぞれが扇形の指向性ビームを海底に放射し、海底からの反射波を受信します。凹凸反射波の強度が異なり、表示される画像に明るさの異なる画像が現れます。動作周波数が高いため、音響信号の減衰が速くなり、動作範囲も遠くありません。現在、テストの周波数範囲は数十キロヘルツから50万キロヘルツです。の分類です 水中音響トランスデューサー。
水中超音波トランスデューサは、 さまざまな電気機械エネルギー変換原理に従って、電気、電磁、磁歪、静電、圧電、電歪に分類できます。たとえば、今世紀半ばに開発された圧電セラミックスは、高電圧の直流分極処理後に圧電性を示します。したがって、これは電歪材料と呼ばれ、今日の圧電トランスデューサ、特に超音波トランスデューサの主流となっています。この分野の用途は非常に広いです。の 水中音響トランスデューサは、 さまざまな振動モードに応じて次のカテゴリに分類できます。
(1) 縦振動トランスデューサ: 振動方向は縦方向と平行です。応力波はトランスデューサの長さ方向に伝播し、その共振基本周波数は長さに依存し、ソナー システムで最も広く使用されているタイプです。
(2) 円筒形トランスデューサ: 圧電セラミック チューブ (またはリング) を使用して、適切な機械構造を介して必要な長さに取り付けます。水平無指向性と垂直指向性制御を備えた水平トランスデューサにすることができます。縦波探触子に次ぐソナーシステムの一種です。これは、水中音響計測で一般的に使用される標準的な水中聴音器でもあります。標準的な送信機の選択の 1 つです。
(3) 屈曲振動トランスデューサ: 屈曲振動トランスデューサは、低周波数で小型軽量という利点があり(同じ周波数における同じ活物質のトランスデューサと比較して)、振動形式は湾曲した梁、湾曲したディスク、湾曲したプレートなどを持ちます。
(4) 曲げ拡張トランスデューサ: 曲げ拡張トランスデューサは、通常、2 つの振動モードを組み合わせた複合トランスデューサです。例えば、長手方向に伸縮可能な振動片と異なる種類の湾曲ケーシングを組み合わせて複数種類の湾曲延長トランスデューサを形成したり、円形の平面ラジアル振動能動部品を椀型の湾曲ケーシングと組み合わせてタイプIIの湾曲延長トランスデューサを形成したりすることができる。
(5) 球形トランスデューサ: 中空の圧電セラミック球殻の呼吸振動によって作られた球形トランスデューサは、空間対称性が良いという利点があります。点音源ハイドロフォンとして一般的に使用されます。
(6) せん断振動トランスデューサ：振動方向と分極方向が平行で、駆動電界の方向が振動方向と直交するせん断振動であれば、特定の特殊用途要件を満たすことができます。歯石などの1MH水中トランスデューサの形状です。
3. の主なパラメータ 水中音響トランスデューサー
主な業績指標は、 水中音響トランスデューサ には、水中動作周波数、動作周波数範囲、周波数帯域幅、放射音源レベル（音響パワー）と放射応答、指向性、受信感度と受信感度応答、放射効率、品質係数、インピーダンス、最大作動深度、サイズと重量が含まれます。
1) 動作周波数
水音響トランスデューサの動作周波数または動作周波数範囲は、通常、ソナー装置の動作周波数によって決定されます。トランスデューサのインピーダンス、指向性、感度、送信電力、サイズなどはすべて周波数の関数です。一般に、送信トランスデューサは、共振周波数付近または共振周波数付近の限られた周波数帯域における性能指数を計算され、この周波数およびその付近で最大放射効率が得られます。広帯域受信トランスデューサの場合、広帯域内で平坦な受信応答を確保し、共振周波数以下での受信応答を計算するには、圧電トランスデューサの共振周波数を受信帯域の上限よりもはるかに高くする必要があります。周波数ソナー トランスデューサの周波数範囲は数十 Hz から数 kHz ですが、小型目標検出ソナー トランスデューサの周波数範囲は数十 kHz から数百 kHz です。
(2)指向性
トランスデューサであってもトランスデューサ アレイであっても、送信応答または受信応答は方向によって変化します。ここではトランスデューサーが指向性を持ち、送信トランスデューサーから発せられる音波はサーチライトから発せられる音波と同じです。トランスデューサーには指向性があるため、音のエネルギーを特定の位置に集中させることができ、エネルギーをより集中させることができます。より大きなアレイを形成するには、多数のトランスデューサが使用されます。同じ周波数では指向性が鋭くなり、エネルギーが集中し、伝送距離が遠くなります。信号対雑音比が大きくなり、受信状態では距離が長くなります。インピーダンス（またはアドミタンス）特性です。
トランスデューサは、共振周波数付近の単純な直並列等価回路として見ることができます。回路内の各抵抗、コンデンサ、またはインダクタは、トランスデューサの固有の特性、つまりトランスデューサのインピーダンス (またはアドミッタンス) 特性を表します。トランスデューサのインピーダンス特性は、送信機の最終ループまたは受信機の入力回路に一致するように調整されます。トランスデューサのインピーダンス (またはアドミッタンス) は周波数の関数である複素数で、一般に次のように表すことができます: Z(w) = R(w) + jX(w) (オーム単位)。機械的共振では、ダイナミック バリスタはゼロになる傾向があり、静的容量性リアクタンスは整合インダクタで調整できます。これは純粋な抵抗とみなすことができます。圧電トランスデューサの電気インピーダンスは、通常、数十オームから数千オームの範囲にあります。
(4) 送信電力
海底距離計の機能は、電子送信機の電力を機械振動の機械力に変換し、その後、機械力を音響力に変換して送信することです。透過音響パワーとは、単位時間当たり媒体にエネルギーを放射するトランスデューサーの物理量を指します。電力の単位はワットで表されます。トランスデューサの送信電力は、定格電圧（または電流）、動的機械強度、温度、誘電特性などの要因によって制限されます。
(5) 起動応答
送信トランスデューサの性能を完全に反映する能力は、放出応答、主に放出電圧応答と放出電流応答です。放射電圧応答 SV の定義は、指定された方向の実効音響中心から d0 m の距離にある送信トランスデューサによって生成される自由音場見かけ音圧 Pf と、トランスデューサの入力に印加される電圧 U の比です: SV=Pfd0 /U。放出電圧応答は通常、デシベルで表されます。
放出電流応答は、指定された方向の実効音響中心から d0 m の距離にある送信トランスデューサによって生成される自由音場見かけ音圧 Pf と、トランスデューサの入力に印加される電流 I の比です: SI = Pf d0 / I 。放出電圧応答は通常、デシベルで表されます。
(6) 受信感度
トランスデューサのフィールド電圧感度は、受信トランスデューサの開放中心電圧 U(w) が出力にあり、自由場の音の中心となる点を指します (受信トランスデューサが存在しないと仮定)。音圧比Pf(w)をM(w)とする。受信トランスデューサの場合、広範囲の周波数にわたって入射音響信号を受信することが望ましいのに対し、圧電トランスデューサは通常、共振周波数未満の広い周波数範囲にわたって動作します。
(7) 受信感度の変動
広帯域受信トランスデューサは、使用される周波数範囲にわたって比較的平坦な受信応答を必要とします。通常、受信電圧感度変動は使用周波数帯域内で±1.5dBと規定されています。
