Grunnleggende om akustisk undervannstransduser

71 % av jordens overflate er havet. Havet inneholder rikelig med biologiske og mineralske ressurser, som er det andre rommet for menneskelig overlevelse og utvikling i fremtiden. Sonar brukes til en undervannsdeteksjonsenhet, er en viktig hjelper for menneskelig utvikling av havet, og er en uunnværlig del av marine- og sivilnavigasjonsindustrien. Funksjonen til sonarenheten er å lytte til det nyttige undervannssignalet og konvertere det til et elektrisk signal for visning; eller å generere et elektrisk signal og deretter konvertere det til et akustisk signal for å forplante seg i vannmediet, og deretter reflektere det tilbake og motta det etter å ha møtt målet. Det konverteres til et elektrisk signal for lytting eller observasjon, og bestemmer dermed orienteringen og avstanden til måleobjektet. I konverteringsprosessen til dette undervanns elektroakustiske signalet er nøkkelutstyret undervanns akustisk transduser eller transdusergruppen.

Anvendelse av akustisk undervannstransduser

For tiden akustiske undervannstransdusere har blitt mye brukt i mange felt som industri, landbruk, nasjonalt forsvar, transport og medisinsk. Her er bare noen av applikasjonene for undervannsdeteksjon:

(1) Anvendelse ved sondering: For å ivareta navigasjonssikkerheten bør det installeres sonar for både krigsskip og sivile skip; Spesielle kanalinspeksjonsfartøyer er utstyrt med høypresisjons- og fullverdige ekkolodd. Avhengig av lyddybden er frekvensen og kraften til lydtransduseren også svært forskjellig. Frekvensen varierer fra 10 kHz til 200 kHz, og effekten varierer fra flere watt til titalls kilowatt. Blant dem brukes høyfrekvent og lav effekt for innlandselver eller grunt hav, og lavfrekvent og høy effekt brukes til hav og dype dyp. Kravene til slike svingere er strålestabilisering og skarp fjernlys.

(2) Anvendelse av piezoelektriske undervannstransdusere i posisjonering og rekkevidde: Måling av skipets hastighet til bakken, for det meste ved hjelp av doppler-ekkolodd, fire svingere med samme ytelse for å arrangere retningen til venstre og høyre side vinkelrett på kjølen. Den generelle driftsfrekvensen er mellom 100kHz og 500kHz.

(3) Anvendelser i marine undersøkelser og undersjøisk stratigrafisk leting: Undersjøiske geologiske undersøkelser bruker hovedsakelig lavfrekvente sonarer med stor åpning. Slepet ekkolodd er det største utvalget av akustiske arrays på den aktive bæreren i dag med lengst avstand. I undervannsavbildningen brukes vanligvis høyfrekvente ekkolodd fra siden. To lineære arrays er anordnet symmetrisk langs kjølen i venstre og høyre side av skipet. Hver av dem sender ut en vifteformet retningsstråle til havbunnen, og mottar deretter reflekterte bølger fra havbunnen. Intensiteten til den ujevne refleksjonsbølgen er forskjellig, og bilder med forskjellig lysstyrke vises på det viste bildet. Fordi driftsfrekvensen er høyere, dempes det akustiske signalet raskere, og rekkevidden av handlingen er ikke langt. Frekvensområdet til testen er nå flere titalls kilohertz til 500 tusen. Det er klassifisering av akustisk undervannstransduser s.

Undervanns ultralydsvinger kan deles inn i elektrisk, elektromagnetisk, magnetostriktiv, elektrostatisk, piezoelektrisk og elektrostriktiv i henhold til forskjellige elektromekaniske energikonverteringsprinsipper. For eksempel er piezoelektrisk keramikk utviklet i midten av århundret piezoelektrisk etter høyspent DC-polarisasjonsbehandling. Derfor kalles det elektrostriktivt materiale og er hovedstrømmen av dagens piezoelektriske transdusere, spesielt i ultralydtransdusere. Feltet har et ekstremt bredt bruksområde. De akustisk undervannstransduser kan deles inn i følgende kategorier i henhold til forskjellige vibrasjonsmoduser:

(1) Langsgående vibrasjonstransduser: dens vibrasjonsretning er parallell med lengderetningen. Spenningsbølgen forplanter seg i lengden på transduseren, og dens resonansgrunnfrekvens avhenger av lengden og er den mest brukte typen i ekkoloddsystemer.

(2) Sylindrisk transduser: Et piezoelektrisk keramisk rør (eller ring) brukes til å montere ønsket lengde gjennom en passende mekanisk struktur. Den kan gjøres om til en horisontal transduser med horisontal ikke-retningsbestemt og vertikal retningskontroll. Det er en type ekkoloddsystem som er nest etter den langsgående transduseren. Det er også en standard hydrofon som vanligvis brukes i hydroakustisk metrologi. Og en av utvalget av standard sendere.

(3) Bøyevibrasjonstransduser: Bøyevibrasjonstransduseren har fordelene med liten størrelse og lav vekt ved lave frekvenser (sammenlignet med svingere av samme aktive materiale med samme frekvens), og vibrasjonsformen har buede bjelker, buede skiver, buede plater, etc.

(4) Bøyeforlengelsestransdusere: Bøyeforlengelsestransdusere er vanligvis sammensatte svingere som kombinerer to vibrasjonsmoduser. For eksempel er en langsgående strekkbar vibrasjonsstang og en annen type buet foringsrør kombinert til en rekke typer buede forlengelsestransdusere, og en sirkulær plan radiell vibrasjonsaktiv komponent kan kombineres med et bolleformet buet foringsrør for å danne en bøyeforlengelse av type II. 

(5) Sfærisk transduser: Den sfæriske transduseren laget av respirasjonsvibrasjonen av det hule piezoelektriske keramiske sfæriske skallet har fordelen med god romsymmetri. Den brukes ofte som en punktkildehydrofon.

(6) Skjærvibrasjonstransduser: Skjærvibrasjonen der vibrasjonsretningen og polarisasjonsretningen er parallelle og retningen til det drivende elektriske feltet er vinkelrett på vibrasjonsretningen, kan oppfylle visse spesielle brukskrav. Dette er formen av en 1MH undervannstransduser som en tannstein.

 3. Hovedparametre for akustisk undervannstransduser

De viktigste ytelsesindikatorene for akustiske undervannstransdusere er undervannsarbeidsfrekvens, driftsfrekvensområde, frekvensbåndbredde, emisjonslydkildenivå (akustisk kraft) og emisjonsrespons, retningsbestemmelse, mottaksfølsomhet og mottaksfølsomhetsrespons, emisjonseffektivitet, kvalitetsfaktor, impedans, maksimal arbeidsdybde, størrelse og vekt.

1) Arbeidsfrekvens

Driftsfrekvensen eller driftsfrekvensområdet til en hydroakustisk transduser bestemmes vanligvis av driftsfrekvensen til sonarenheten. Impedansen, retningsevnen, følsomheten, sendeeffekten, størrelsen osv. transduseren er alle funksjoner av frekvens. Generelt beregnes sendetransduseren for sin ytelsesindeks i det begrensede frekvensbåndet rundt resonansfrekvensen eller nær resonansfrekvensen, med maksimal emisjonseffektivitet ved og nær denne frekvensen. For en bredbåndsmottakstransduser bør resonansfrekvensen til den piezoelektriske transduseren være mye høyere enn den øvre grensen for mottaksbåndet for å sikre en flat mottaksrespons innenfor bredbåndet og for å beregne mottaksresponsen ved resonansfrekvensen og under. Frekvensekkoloddsvingere varierer i frekvens fra titalls Hz til flere kilohertz, mens sonartransdusere for små måldeteksjon varierer fra titalls kilohertz til hundrevis av kilohertz.

(2) Direktivitet

Enten det er en transduser eller en transdusergruppe, vil deres senderespons eller mottaksrespons endres i forhold til retningen. Det er her svingeren er retningsbestemt, og lydbølgene som sendes ut av transduseren som sender ut, er de samme som sendes ut av søkelyset. Siden transduseren har retningsbestemmelse, kan den konsentrere lydenergien til en bestemt posisjon for å gjøre energien mer konsentrert. Et stort antall transdusere brukes til å danne en større gruppe. Retningsevnen er skarpere ved samme frekvens, energien er mer konsentrert, og overføringsavstanden er lengre. Signal-til-støy-forholdet er større og avstanden er lengre i mottakstilstand. Det er impedans (eller admittans) egenskaper.

Svingeren kan sees på som en enkel serie-parallell ekvivalent krets nær resonansfrekvensen. Hver motstand, kondensator eller induktor i kretsen representerer de iboende egenskapene til transduseren, som er transduserens impedans (eller admittans) karakteristikk. Impedansegenskapene til transduseren mestres for å matche inngangskretsen til senderens siste sløyfe eller mottaker. Impedansen (eller admittansen) til en transduser er et komplekst tall som er en funksjon av frekvensen og kan generelt uttrykkes som: Z(w) = R(w) + jX(w) (i ohm).I den mekaniske resonansen har den dynamiske varistoren en tendens til null, og den statiske kapasitive reaktansen kan innstilles med en matchende induktor. Dette kan betraktes som en ren motstand. Den elektriske impedansen til en piezoelektrisk transduser er typisk i området fra titalls ohm til tusenvis av ohm.

(4) Sendeeffekt

Funksjonen til ubåtavstandsmåleren er å konvertere den elektriske kraften til den elektroniske senderen til mekanisk kraft av mekanisk vibrasjon, og deretter konvertere den mekaniske kraften til akustisk kraft for overføring. Den overførte lydeffekten refererer til den fysiske mengden av transduseren som utstråler energi inn i mediet per tidsenhet. Enheten for kraft er uttrykt i watt. Sendeeffekten til transduseren begrenses av faktorer som nominell spenning (eller strøm), dynamisk mekanisk styrke, temperatur og dielektriske egenskaper.

(5) Startrespons

Evnen til å fullt ut reflektere ytelsen til den overførende transduseren er emisjonsresponsen, hovedsakelig emisjonsspenningsresponsen og emisjonsstrømresponsen. Definisjonen av emisjonsspenningsresponsen SV er forholdet mellom det tilsynelatende lydtrykket Pf som genereres av den senderende transduseren i en avstand på d0 m fra dens effektive akustiske senter i den angitte retningen og spenningen U påført inngangen til transduseren: SV=Pfd0 /U. Emisjonsspenningsresponsen uttrykkes vanligvis i desibel.

Emisjonsstrømresponsen er forholdet mellom det tilsynelatende lydtrykket Pf som genereres av den senderende transduseren i en avstand på d0 m fra dens effektive akustiske senter i den spesifiserte retningen og strømmen I påført inngangen til transduseren: SI = Pf d0 / I . Emisjonsspenningsresponsen uttrykkes vanligvis i desibel.

(6) Motta følsomhet

Feltspenningsfølsomheten til transduseren refererer til punktet der den mottakende transduserens åpne senterspenning U(w) er ved utgangen og sentrum av lyden i det frie feltet (forutsatt at den mottakende transduseren ikke er tilstede). Forholdet mellom lydtrykk Pf(w) er M(w). For mottakstransdusere er det ønskelig å motta innfallende akustiske signaler over et bredt område av frekvenser, mens piezoelektriske transdusere typisk opererer over et bredt frekvensområde under resonansfrekvensen.

 (7) Fluktuasjon av mottaksfølsomhet

bredbåndsmottakende transdusere krever en relativt flat mottaksrespons over frekvensområdet som brukes. Det er vanligvis spesifisert at mottaksspenningsfølsomhetsfluktuasjonen er ±1,5dB i driftsfrekvensbåndet.