Asas transduser akustik bawah air

71% daripada luas permukaan bumi ialah lautan. Lautan mengandungi sumber biologi dan mineral yang banyak, yang merupakan ruang kedua untuk kelangsungan hidup dan pembangunan manusia pada masa hadapan. Sonar digunakan untuk peranti pengesan bawah air, merupakan penolong penting untuk pembangunan manusia di lautan, dan merupakan bahagian yang sangat diperlukan dalam industri pelayaran tentera laut dan awam. Fungsi peranti sonar adalah untuk mendengar isyarat berguna di bawah air dan menukarnya menjadi isyarat elektrik untuk tontonan; atau untuk menjana isyarat elektrik dan kemudian menukarnya menjadi isyarat akustik untuk merambat dalam medium air, dan kemudian memantulkannya semula dan menerimanya selepas menemui sasaran. Ia ditukar kepada isyarat elektrik untuk mendengar atau pemerhatian, dengan itu menentukan orientasi dan jarak objek pengukur. Dalam proses penukaran isyarat elektroakustik bawah air ini, peralatan utama ialah transduser akustik bawah air atau susunan transduser.

Pemakaian transduser akustik bawah air

Pada masa ini, transduser akustik bawah air telah digunakan secara meluas dalam banyak bidang seperti industri, pertanian, pertahanan negara, pengangkutan dan perubatan. Berikut adalah beberapa aplikasi untuk pengesanan bawah air:

(1) Aplikasi dalam bunyi: Untuk memastikan keselamatan navigasi, sonar bunyi hendaklah dipasang untuk kedua-dua kapal perang dan kapal awam; kapal pemeriksaan saluran khas dilengkapi dengan bunyi kedalaman berketepatan tinggi dan berciri penuh. Bergantung pada kedalaman bunyi, frekuensi dan kuasa transduser bunyi juga sangat berbeza. Kekerapan berjulat dari 10 kHz hingga 200 kHz, dan kuasa berjulat dari beberapa watt hingga puluhan kilowatt. Antaranya, frekuensi tinggi dan kuasa rendah digunakan untuk sungai pedalaman atau laut cetek, dan frekuensi rendah dan kuasa tinggi digunakan untuk lautan dan kedalaman dalam. Keperluan untuk transduser tersebut ialah penstabilan rasuk dan rasuk utama yang tajam.

(2) Pemakaian transduser piezoelektrik bawah air dalam kedudukan dan julat: Mengukur kelajuan kapal ke tanah, kebanyakannya menggunakan sonar doppler, empat transduser dengan prestasi yang sama untuk mengatur arah sisi kiri dan kanan berserenjang dengan lunas. Kekerapan operasi umum adalah antara 100kHz dan 500kHz.

(3) Aplikasi dalam tinjauan marin dan penerokaan stratigrafi dasar laut: Tinjauan geologi dasar laut terutamanya menggunakan sonar apertur besar frekuensi rendah. Sonar yang ditarik ialah susunan tatasusunan akustik terbesar pada pembawa aktif hari ini dengan jarak terjauh. Dalam pengimejan bawah air, sonar pandangan sisi frekuensi tinggi biasanya digunakan. Dua tatasusunan linear disusun secara simetri di sepanjang lunas di sebelah kiri dan kanan kapal. Setiap daripadanya mengeluarkan pancaran arah berbentuk kipas ke dasar laut, dan kemudian menerima gelombang pantulan dari dasar laut. Keamatan gelombang pantulan tidak sekata adalah berbeza, dan imej dengan kecerahan berbeza muncul pada imej yang dipaparkan. Kerana frekuensi operasi adalah isyarat akustik yang lebih tinggi dilemahkan lebih cepat, dan julat tindakan tidak jauh. Julat kekerapan ujian kini adalah beberapa puluh kilohertz hingga 500 ribu. Ia adalah klasifikasi transduser akustik bawah air s.

Transduser ultrasonik bawah air boleh dibahagikan kepada elektrik, elektromagnet, magnetostrictive, elektrostatik, piezoelektrik dan elektrostriktif mengikut prinsip penukaran tenaga elektromekanikal yang berbeza. Sebagai contoh, seramik piezoelektrik yang dibangunkan pada pertengahan abad adalah piezoelektrik selepas rawatan polarisasi DC voltan tinggi. Oleh itu, ia dipanggil bahan elektrostriktif dan merupakan arus perdana transduser piezoelektrik hari ini, terutamanya dalam transduser ultrasonik. Bidang ini mempunyai pelbagai kegunaan yang sangat luas. The transduser akustik bawah air boleh dibahagikan kepada kategori berikut mengikut mod getaran yang berbeza:

(1) Transduser getaran membujur: arah getarannya selari dengan arah membujur. Gelombang tegasan merambat dalam panjang transduser, dan frekuensi asas resonansnya bergantung pada panjang dan merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam sistem sonar.

(2) Transduser silinder: Tiub seramik piezoelektrik (atau gelang) digunakan untuk melekapkan panjang yang dikehendaki melalui struktur mekanikal yang sesuai. Ia boleh dijadikan transduser mendatar dengan kawalan tidak arah mendatar dan kawalan kearah menegak. Ia adalah sejenis sistem sonar yang kedua selepas transduser longitudinal. Ia juga merupakan hidrofon standard yang biasa digunakan dalam metrologi hidroakustik. Dan salah satu pilihan pemancar standard.

(3) Transduser getaran lentur: Transduser getaran lentur mempunyai kelebihan saiz kecil dan ringan pada frekuensi rendah (berbanding dengan transduser bahan aktif yang sama pada frekuensi yang sama), dan bentuk getaran mempunyai rasuk melengkung, cakera melengkung, plat melengkung, dsb.

(4) Transduser sambungan lentur: Transduser sambungan lentur biasanya transduser komposit yang menggabungkan dua mod getaran. Sebagai contoh, bar bergetar boleh diregangkan secara membujur dan jenis selongsong melengkung yang berbeza digabungkan menjadi kepelbagaian jenis transduser sambungan melengkung, dan komponen aktif getaran jejari satah bulat boleh digabungkan dengan selongsong melengkung berbentuk mangkuk untuk membentuk sambungan lentur jenis II. 

(5) Transduser sfera: Transduser sfera yang dibuat oleh getaran pernafasan cangkang sfera seramik piezoelektrik berongga mempunyai kelebihan simetri spatial yang baik. Ia biasanya digunakan sebagai hidrofon sumber titik.

(6) Transduser getaran ricih: Getaran ricih di mana arah getaran dan arah polarisasi adalah selari dan arah medan elektrik pemacu berserenjang dengan arah getaran boleh memenuhi keperluan penggunaan khas tertentu. Ini adalah bentuk transduser bawah air 1MH seperti kalkulus pergigian.

 3. Parameter utama bagi transduser akustik bawah air

Penunjuk prestasi utama bagi transduser akustik bawah air ialah frekuensi kerja bawah air, julat frekuensi operasi, lebar jalur frekuensi, tahap sumber bunyi pancaran (kuasa akustik) dan tindak balas pancaran, kearaharah, kepekaan menerima dan tindak balas kepekaan menerima, kecekapan pelepasan, faktor kualiti, Impedans, kedalaman kerja maksimum, saiz dan berat.

1) Kekerapan bekerja

Kekerapan operasi atau julat frekuensi operasi transduser hidroakustik biasanya ditentukan oleh frekuensi operasi peranti sonar. Impedans, kearaharah, kepekaan, kuasa penghantaran, saiz, dll. transduser adalah semua fungsi frekuensi. Secara umum, transduser penghantaran dikira untuk indeks prestasinya dalam jalur frekuensi terhad di sekitar frekuensi resonans atau berhampiran frekuensi resonans, dengan kecekapan pelepasan maksimum pada dan berhampiran frekuensi ini. Untuk transduser penerima jalur lebar, frekuensi resonan transduser piezoelektrik hendaklah lebih tinggi daripada had atas jalur penerimaan untuk memastikan tindak balas penerimaan rata dalam jalur lebar dan untuk mengira tindak balas penerimaannya pada frekuensi resonan dan ke bawah. Transduser sonar frekuensi berjulat frekuensi dari puluhan Hz hingga beberapa kilohertz, manakala transduser sonar pengesanan sasaran kecil berjulat dari puluhan kilohertz hingga ratusan kilohertz.

(2) Arah

Sama ada transduser atau tatasusunan transduser, tindak balas penghantaran atau penerimaan akan berubah mengikut arahnya. Di sinilah transduser berarah, dan gelombang bunyi yang dipancarkan oleh transduser pemancar adalah sama seperti yang dipancarkan oleh lampu sorot. Oleh kerana transduser mempunyai directivity, ia boleh menumpukan tenaga bunyi ke kedudukan tertentu untuk menjadikan tenaga lebih pekat. Sebilangan besar transduser digunakan untuk membentuk tatasusunan yang lebih besar. Kearaharah lebih tajam pada frekuensi yang sama, tenaga lebih pekat, dan jarak penghantaran lebih jauh. Nisbah isyarat-kepada-bunyi adalah lebih besar dan jarak lebih jauh dalam keadaan menerima. Ia adalah ciri impedans (atau kemasukan).

Transduser boleh dilihat sebagai litar setara siri-selari ringkas berhampiran frekuensi resonans. Setiap perintang, kapasitor atau induktor dalam litar mewakili ciri-ciri yang wujud pada transduser, yang merupakan ciri galangan (atau kemasukan) transduser. Ciri-ciri impedans transduser dikuasai untuk memadankan litar input gelung akhir atau penerima pemancar. Impedans (atau kemasukan) transduser ialah nombor kompleks yang merupakan fungsi kekerapan dan secara amnya boleh dinyatakan sebagai: Z(w) = R(w) + jX(w) (dalam ohm).Dalam resonans mekanikal, varistor dinamik cenderung kepada sifar, dan reaktans kapasitif statik boleh ditala dengan induktor yang sepadan. Ini boleh dianggap sebagai rintangan tulen. Impedans elektrik transduser piezoelektrik biasanya dalam julat berpuluh-puluh ohm hingga beribu-ribu ohm.

(4) Menghantar kuasa

Fungsi pencari julat Kapal Selam adalah untuk menukar kuasa elektrik pemancar elektronik kepada kuasa mekanikal getaran mekanikal, dan kemudian menukar kuasa mekanikal kepada kuasa akustik untuk penghantaran. Kuasa bunyi yang dihantar merujuk kepada kuantiti fizikal transduser yang memancarkan tenaga ke dalam medium per unit masa. Unit kuasa dinyatakan dalam watt. Kuasa penghantar transduser dihadkan oleh faktor seperti voltan terkadar (atau arus), kekuatan mekanikal dinamik, suhu dan ciri dielektrik.

(5) Sambutan pelancaran

Keupayaan untuk mencerminkan sepenuhnya prestasi transduser pemancar ialah tindak balas pelepasan, terutamanya tindak balas voltan pelepasan dan tindak balas arus pelepasan. Takrifan tindak balas voltan pelepasan SV ialah nisbah tekanan bunyi jelas medan bebas Pf yang dihasilkan oleh transduser pemancar pada jarak d0 m dari pusat akustik berkesannya dalam arah yang ditentukan dan voltan U digunakan pada input transduser: SV=Pfd0 /U. Tindak balas voltan pelepasan biasanya dinyatakan dalam desibel.

Tindak balas arus pelepasan ialah nisbah tekanan bunyi jelas medan bebas Pf yang dihasilkan oleh transduser pemancar pada jarak d0 m dari pusat akustik berkesannya dalam arah yang ditentukan dan arus I digunakan pada input transduser: SI = Pf d0 / I . Tindak balas voltan pelepasan biasanya dinyatakan dalam desibel.

(6) Terima sensitiviti

Kepekaan voltan medan transduser merujuk kepada titik di mana voltan pusat terbuka transduser penerima U(w) berada pada output dan pusat bunyi dalam medan bebas (dengan andaian transduser penerima tidak hadir). Nisbah tekanan bunyi Pf(w) ialah M(w). Untuk menerima transduser, adalah wajar untuk menerima isyarat akustik insiden pada julat frekuensi yang luas, manakala transduser piezoelektrik biasanya beroperasi pada julat frekuensi yang luas di bawah frekuensi resonans.

 (7) Turun naik sensitiviti penerimaan

transduser penerima jalur lebar memerlukan tindak balas penerimaan yang agak rata ke atas julat frekuensi yang digunakan. Ia biasanya dinyatakan bahawa turun naik sensitiviti voltan penerima ialah ±1.5dB dalam jalur frekuensi operasi.