Basisprincipes van akoestische onderwatertransducers

71% van het aardoppervlak bestaat uit de oceaan. De oceaan bevat overvloedige biologische en minerale hulpbronnen, wat de tweede ruimte is voor menselijke overleving en ontwikkeling in de toekomst. Sonar wordt gebruikt als onderwaterdetectieapparaat, is een belangrijke helper voor de menselijke ontwikkeling van de oceaan en is een onmisbaar onderdeel van de maritieme en civiele navigatie-industrie. De functie van het sonarapparaat is om naar het nuttige onderwatersignaal te luisteren en dit om te zetten in een elektrisch signaal om te bekijken; of om een ​​elektrisch signaal te genereren en dit vervolgens om te zetten in een akoestisch signaal om zich in het watermedium voort te planten, en het vervolgens terug te reflecteren en te ontvangen nadat het het doel heeft ontmoet. Het wordt omgezet in een elektrisch signaal voor luisteren of observeren, waardoor de oriëntatie en afstand van het meetobject wordt bepaald. Bij het conversieproces van dit elektro-akoestische signaal onder water is de belangrijkste apparatuur de akoestische onderwatertransducer of de transducerarray.

Toepassing van onderwater akoestische transducer

Momenteel akoestische onderwatertransducers worden op grote schaal gebruikt op veel gebieden, zoals de industrie, de landbouw, de nationale defensie, het transport en de medische sector. Hier zijn slechts enkele toepassingen voor onderwaterdetectie:

(1) Toepassing bij peilingen: Om de veiligheid van de navigatie te garanderen, moet peilsonar worden geïnstalleerd voor zowel oorlogsschepen als civiele schepen; speciale kanaalinspectievaartuigen zijn uitgerust met zeer nauwkeurige en volledig uitgeruste dieptemeters. Afhankelijk van de diepte van het geluid zijn de frequentie en het vermogen van de peiltransducer ook heel verschillend. De frequentie varieert van 10 kHz tot 200 kHz en het vermogen varieert van enkele watt tot tientallen kilowatt. Onder hen worden hoge frequentie en laag vermogen gebruikt voor rivieren in het binnenland of ondiepe zeeën, en lage frequentie en hoog vermogen worden gebruikt voor oceanische en diepe diepten. De vereisten voor dergelijke transducers zijn straalstabilisatie en scherp grootlicht.

(2) Toepassing van onderwater piëzo-elektrische transducers in positionering en bereik: het meten van de snelheid van het schip naar de grond, meestal met behulp van doppler-sonar, vier transducers met dezelfde prestaties om de richting van de linker- en rechterkant loodrecht op de kiel te regelen. De algemene werkfrequentie ligt tussen 100 kHz en 500 kHz.

(3) Toepassingen in mariene onderzoeken en onderzeese stratigrafische verkenning: Bij geologische onderzoeken onder water wordt hoofdzakelijk gebruik gemaakt van laagfrequente sonar met grote opening. Gesleepte sonar is tegenwoordig de grootste reeks akoestische arrays op de actieve drager met de langste afstand. Bij onderwaterbeelden wordt doorgaans gebruik gemaakt van hoogfrequente zijaanzicht-sonar. Twee lineaire arrays zijn symmetrisch langs de kiel aan de linker- en rechterkant van het schip gerangschikt. Elk van hen zendt een waaiervormige gerichte straal uit naar de zeebodem en ontvangt vervolgens gereflecteerde golven van de zeebodem. De intensiteit van de ongelijkmatige reflectiegolf is anders en er verschijnen afbeeldingen met verschillende helderheid op het weergegeven beeld. Omdat de werkfrequentie hoger is, wordt het akoestische signaal sneller verzwakt en is het bereik van de actie niet ver. Het frequentiebereik van de test bedraagt ​​nu enkele tientallen kilohertz tot 500.000. Het is classificatie van onderwater akoestische transducer s.

Onderwater ultrasone transducer kan worden onderverdeeld in elektrisch, elektromagnetisch, magnetostrictief, elektrostatisch, piëzo-elektrisch en elektrostrictief volgens verschillende elektromechanische energieconversieprincipes. Piëzo-elektrische keramiek die in het midden van de eeuw werd ontwikkeld, is bijvoorbeeld piëzo-elektrisch na hoogspannings-DC-polarisatiebehandeling. Daarom wordt het elektrostrictief materiaal genoemd en is het de mainstream van de huidige piëzo-elektrische transducers, vooral in ultrasone transducers. Het veld kent een zeer breed scala aan toepassingen. De De akoestische onderwatertransducer kan worden onderverdeeld in de volgende categorieën, afhankelijk van verschillende trillingsmodi:

(1) Longitudinale trillingsopnemer: de trillingsrichting is parallel aan de lengterichting. De spanningsgolf plant zich voort in de lengte van de transducer, en de resonante fundamentele frequentie hangt af van de lengte en is het meest gebruikte type in sonarsystemen.

(2) Cilindrische transducer: een piëzo-elektrische keramische buis (of ring) wordt gebruikt om de gewenste lengte via een geschikte mechanische structuur te monteren. Er kan een horizontale transducer van worden gemaakt met horizontale niet-directionele en verticale directiviteitsregeling. Het is een type sonarsysteem dat na de longitudinale transducer op de tweede plaats komt. Het is ook een standaardhydrofoon die veel wordt gebruikt in de hydro-akoestische metrologie. En één van de selectie standaardzenders.

(3) Buigtrillingstransducer: de buigtrillingstransducer heeft de voordelen van een klein formaat en een laag gewicht bij lage frequenties (vergeleken met transducers van hetzelfde actieve materiaal op dezelfde frequentie), en de trillingsvorm heeft gebogen balken, gebogen schijven, gebogen platen, enz.

(4) Transducers voor buigextensie: Transducers voor buigextensie zijn over het algemeen samengestelde transducers die twee trillingsmodi combineren. Een in lengterichting rekbare trilstaaf en een ander type gebogen behuizing worden bijvoorbeeld gecombineerd tot een aantal typen gebogen verlengingstransducers, en een cirkelvormige vlakke radiale trillingsactieve component kan worden gecombineerd met een komvormige gebogen behuizing om een ​​type II buigverlenging te vormen. 

(5) Sferische transducer: De sferische transducer die wordt gemaakt door de ademhalingstrilling van de holle piëzo-elektrische keramische bolvormige schaal heeft het voordeel van een goede ruimtelijke symmetrie. Het wordt vaak gebruikt als een puntbronhydrofoon.

(6) Schuiftrillingstransducer: De schuiftrilling waarbij de trillingsrichting en de polarisatierichting evenwijdig zijn en de richting van het aandrijvende elektrische veld loodrecht op de trillingsrichting staat, kan aan bepaalde speciale gebruiksvereisten voldoen. Dit is de vorm van een 1MH-onderwatertransducer, zoals tandsteen.

 3. Belangrijkste parameters van onderwater akoestische transducer

De belangrijkste prestatie-indicatoren van onderwater akoestische transducer zijn onderwaterwerkfrequentie, werkfrequentiebereik, frequentiebandbreedte, emissiegeluidsbronniveau (akoestisch vermogen) en emissierespons, directiviteit, ontvangstgevoeligheid en ontvangstgevoeligheidsrespons, emissie-efficiëntie, kwaliteitsfactor, impedantie, maximale werkdiepte, grootte en gewicht.

1) Werkfrequentie

De werkfrequentie of het werkfrequentiebereik van een hydro-akoestische transducer wordt doorgaans bepaald door de werkfrequentie van het sonarapparaat. De impedantie, richtingsgevoeligheid, zendvermogen, grootte, etc. van de transducer zijn allemaal functies van de frequentie. Over het algemeen wordt de zendtransducer berekend op basis van zijn prestatie-index in de beperkte frequentieband rond de resonantiefrequentie of nabij de resonantiefrequentie, met maximale emissie-efficiëntie op en nabij deze frequentie. Voor een breedband ontvangsttransducer moet de resonantiefrequentie van de piëzo-elektrische transducer veel hoger zijn dan de bovengrens van de ontvangstband om een ​​vlakke ontvangstrespons binnen de breedband te garanderen en de ontvangstrespons bij de resonantiefrequentie en lager te berekenen. Frequentiesonartransducers variëren in frequentie van tientallen Hz tot enkele kilohertz, terwijl sonartransducers voor kleine doeldetectie variëren van tientallen kilohertz tot honderden kilohertz.

(2) Directiviteit

Of het nu een transducer of een transducerarray is, hun zend- of ontvangstrespons zal veranderen met betrekking tot hun richting. Dit is waar de transducer directioneel is en de geluidsgolven die door de zendende transducer worden uitgezonden, dezelfde zijn als die van het zoeklicht. Omdat de transducer directiviteit heeft, kan deze de geluidsenergie naar een bepaalde positie concentreren om de energie geconcentreerder te maken. Er wordt een groot aantal transducers gebruikt om een ​​grotere array te vormen. De richtingsgevoeligheid is scherper bij dezelfde frequentie, de energie is meer geconcentreerd en de transmissieafstand is groter. De signaal-ruisverhouding is groter en de afstand is langer in de ontvangsttoestand. Het zijn impedantie- (of toelatings)karakteristieken.

De transducer kan worden gezien als een eenvoudig serie-parallel equivalent circuit nabij de resonantiefrequentie. Elke weerstand, condensator of inductor in het circuit vertegenwoordigt de inherente kenmerken van de transducer, namelijk de impedantie- (of toegang-) karakteristiek van de transducer. De impedantiekarakteristieken van de transducer worden zo beheerst dat ze overeenkomen met het ingangscircuit van de laatste lus of ontvanger van de zender. De impedantie (of toegang) van een transducer is een complex getal dat een functie is van de frequentie en kan over het algemeen worden uitgedrukt als: Z(w) = R(w) + jX(w) (in ohm). Bij mechanische resonantie neigt de dynamische varistor naar nul, en de statische capacitieve reactantie kan worden afgestemd met een bijpassende inductor. Dit kan worden beschouwd als pure weerstand. De elektrische impedantie van de piëzo-elektrische transducer ligt doorgaans in het bereik van tientallen ohm tot duizenden ohm.

(4) Zendvermogen

De functie van de onderzeese afstandsmeter is om het elektrische vermogen van de elektronische zender om te zetten in mechanisch vermogen van mechanische trillingen, en vervolgens het mechanische vermogen om te zetten in akoestisch vermogen voor transmissie. Het uitgezonden geluidsvermogen verwijst naar de fysieke hoeveelheid van de transducer die per tijdseenheid energie naar het medium straalt. De eenheid van vermogen wordt uitgedrukt in watt. Het zendvermogen van de transducer wordt beperkt door factoren zoals nominale spanning (of stroom), dynamische mechanische sterkte, temperatuur en diëlektrische kenmerken.

(5) Lanceringsreactie

Het vermogen om de prestaties van de zendtransducer volledig weer te geven is de emissierespons, voornamelijk de emissiespanningsrespons en de emissiestroomrespons. De definitie van de emissiespanningsrespons SV is de verhouding van de schijnbare geluidsdruk in het vrije veld Pf gegenereerd door de zendende transducer op een afstand van d0 m van zijn effectieve akoestische centrum in de gespecificeerde richting en de spanning U die wordt toegepast op de ingang van de transducer: SV = Pfd0 /U. De emissiespanningsrespons wordt gewoonlijk uitgedrukt in decibel.

De emissiestroomrespons is de verhouding van de schijnbare geluidsdruk Pf in het vrije veld gegenereerd door de zendende transducer op een afstand van d0 m van zijn effectieve akoestische centrum in de gespecificeerde richting en de stroom I die wordt toegepast op de ingang van de transducer: SI = Pf d0 / I. De emissiespanningsrespons wordt gewoonlijk uitgedrukt in decibel.

(6) Ontvangstgevoeligheid

De veldspanningsgevoeligheid van de transducer heeft betrekking op het punt waarop de open middenspanning U(w) van de ontvangende transducer zich aan de uitgang bevindt en in het midden van het geluid in het vrije veld (ervan uitgaande dat de ontvangende transducer niet aanwezig is). De verhouding van de geluidsdruk Pf(w) is M(w). Voor ontvangsttransducers is het wenselijk om invallende akoestische signalen te ontvangen over een breed frequentiebereik, terwijl piëzo-elektrische transducers doorgaans werken over een breed frequentiebereik onder de resonantiefrequentie.

 (7) Fluctuatie van de ontvangstgevoeligheid

breedbandontvangsttransducers vereisen een relatief vlakke ontvangstrespons over het gebruikte frequentiebereik. Meestal wordt gespecificeerd dat de fluctuatie in de ontvangstspanningsgevoeligheid ±1,5 dB bedraagt ​​in de bedrijfsfrequentieband.