Podstawy podwodnego przetwornika akustycznego

71% powierzchni Ziemi to ocean. Ocean zawiera bogate zasoby biologiczne i mineralne, co stanowi drugą przestrzeń przetrwania i rozwoju człowieka w przyszłości. Sonar jest używany w podwodnym urządzeniu do wykrywania, jest ważnym pomocnikiem w rozwoju oceanu przez człowieka i jest nieodzowną częścią przemysłu nawigacji morskiej i cywilnej. Zadaniem sonaru jest odsłuchiwanie przydatnego pod wodą sygnału i przekształcanie go w sygnał elektryczny do oglądania; lub wygenerować sygnał elektryczny, a następnie przekształcić go w sygnał akustyczny, który rozchodzi się w ośrodku wodnym, a następnie odbija go z powrotem i odbiera po napotkaniu celu. Jest on przekształcany na sygnał elektryczny do słuchania lub obserwacji, określając w ten sposób orientację i odległość mierzonego obiektu. W procesie konwersji tego podwodnego sygnału elektroakustycznego kluczowym sprzętem jest podwodny przetwornik akustyczny lub układ przetworników.

Zastosowanie podwodny przetwornik akustyczny

Obecnie, podwodne przetworniki akustyczne są szeroko stosowane w wielu dziedzinach, takich jak przemysł, rolnictwo, obrona narodowa, transport i medycyna. Oto tylko kilka zastosowań wykrywania pod wodą:

(1) Zastosowanie w sondowaniu: W celu zapewnienia bezpieczeństwa żeglugi sonar sondujący powinien być instalowany zarówno na okrętach wojennych, jak i statkach cywilnych; specjalne statki do inspekcji kanałów są wyposażone w bardzo precyzyjne i w pełni funkcjonalne sondy głębinowe. W zależności od głębokości sondowania częstotliwość i moc przetwornika sondującego są również bardzo różne. Częstotliwość waha się od 10 kHz do 200 kHz, a moc waha się od kilku watów do kilkudziesięciu kilowatów. Wśród nich urządzenia o wysokiej częstotliwości i małej mocy są stosowane w rzekach śródlądowych lub płytkich morzach, natomiast o niskiej częstotliwości i dużej mocy są stosowane w przypadku głębin oceanicznych i głębokich. Wymagania dla takich przetworników to stabilizacja wiązki i ostra wiązka główna.

(2) Zastosowanie podwodne przetworniki piezoelektryczne w pozycjonowaniu i wyznaczaniu odległości: Pomiar prędkości statku względem ziemi, głównie przy użyciu sonaru dopplerowskiego, cztery przetworniki o tej samej wydajności do ustawiania kierunku lewej i prawej strony prostopadle do stępki. Ogólna częstotliwość robocza wynosi od 100 kHz do 500 kHz.

(3) Zastosowania w badaniach morskich i badaniach stratygraficznych łodzi podwodnych: W badaniach geologicznych podwodnych wykorzystuje się głównie sonar o niskiej częstotliwości i dużej aperturze. Sonar holowany to największy obecnie zestaw układów akustycznych na aktywnym nośniku, zapewniający najdłuższe odległości. W obrazowaniu podwodnym zwykle wykorzystuje się sonar boczny o wysokiej częstotliwości. Dwa układy liniowe są rozmieszczone symetrycznie wzdłuż stępki po lewej i prawej stronie statku. Każdy z nich emituje wachlarzową wiązkę kierunkową na dno morskie, a następnie odbiera fale odbite od dna morskiego. Intensywność nierównej fali odbicia jest różna, a na wyświetlanym obrazie pojawiają się obrazy o różnej jasności. Ponieważ częstotliwość pracy jest wyższa, sygnał akustyczny jest szybciej tłumiony, a zasięg działania nie jest duży. Zakres częstotliwości testu wynosi obecnie od kilkudziesięciu kiloherców do 500 tys. Jest to klasyfikacja podwodny przetwornik akustyczny s.

Podwodny przetwornik ultradźwiękowy można podzielić na elektryczny, elektromagnetyczny, magnetostrykcyjny, elektrostatyczny, piezoelektryczny i elektrostrykcyjny, zgodnie z różnymi zasadami konwersji energii elektromechanicznej. Na przykład ceramika piezoelektryczna opracowana w połowie stulecia jest piezoelektryczna po obróbce polaryzacyjnej prądem stałym o wysokim napięciu. Dlatego nazywany jest materiałem elektrostrykcyjnym i stanowi główny nurt współczesnych przetworników piezoelektrycznych, zwłaszcza w przetwornikach ultradźwiękowych. Pole ma niezwykle szerokie zastosowanie. The podwodny przetwornik akustyczny można podzielić na następujące kategorie w zależności od różnych trybów wibracji:

(1) Przetwornik drgań wzdłużnych: kierunek drgań jest równoległy do ​​kierunku wzdłużnego. Fala naprężeniowa rozchodzi się wzdłuż przetwornika, a jej rezonansowa częstotliwość podstawowa zależy od długości i jest najczęściej stosowanym typem fali w układach sonarowych.

(2) Przetwornik cylindryczny: Piezoelektryczna rurka ceramiczna (lub pierścień) służy do mocowania żądanej długości poprzez odpowiednią konstrukcję mechaniczną. Można go przekształcić w przetwornik poziomy z kontrolą bezkierunkowości poziomej i kierunkowości pionowej. Jest to rodzaj systemu sonarowego, ustępując jedynie przetwornikowi podłużnemu. Jest to również standardowy hydrofon powszechnie stosowany w metrologii hydroakustycznej. I jeden z wybranych standardowych nadajników.

(3) Przetwornik drgań zginających: Przetwornik drgań zginających ma tę zaletę, że ma niewielkie rozmiary i niewielką wagę przy niskich częstotliwościach (w porównaniu z przetwornikami z tego samego materiału aktywnego przy tej samej częstotliwości), a forma wibracji ma zakrzywione belki, zakrzywione tarcze, zakrzywione płyty itp.

(4) Przetworniki wydłużenia przy zginaniu: Przetworniki wydłużenia przy zginaniu to zazwyczaj przetworniki kompozytowe, które łączą w sobie dwa rodzaje drgań. Na przykład rozciągliwy wzdłużnie pręt wibracyjny i inny typ zakrzywionej obudowy łączy się w wiele typów zakrzywionych przetworników rozciągających, a okrągły, płaski, promieniowy element aktywny wibracyjny można połączyć z zakrzywioną obudową w kształcie misy, tworząc przedłużenie zginane typu II. 

(5) Przetwornik sferyczny: Przetwornik sferyczny wykonany w wyniku wibracji oddechowych pustej ceramicznej kulistej powłoki piezoelektrycznej ma tę zaletę, że charakteryzuje się dobrą symetrią przestrzenną. Jest powszechnie stosowany jako hydrofon ze źródłem punktowym.

(6) Przetwornik drgań ścinających: Drgania ścinające, w których kierunek wibracji i kierunek polaryzacji są równoległe, a kierunek napędzającego pola elektrycznego jest prostopadły do ​​kierunku wibracji, mogą spełniać określone wymagania specjalnego zastosowania. Jest to forma podwodnego przetwornika 1MH, takiego jak kamień nazębny.

 3. Główne parametry podwodny przetwornik akustyczny

Główne wskaźniki wydajności podwodny przetwornik akustyczny to podwodna częstotliwość robocza, zakres częstotliwości roboczej, szerokość pasma częstotliwości, poziom źródła dźwięku emisji (moc akustyczna) i odpowiedź na emisję, kierunkowość, czułość odbioru i reakcja na czułość odbioru, wydajność emisji, współczynnik jakości, impedancja, maksymalna głębokość robocza, rozmiar i waga.

1) Częstotliwość pracy

Częstotliwość robocza lub zakres częstotliwości roboczej przetwornika hydroakustycznego jest zwykle określany przez częstotliwość roboczą urządzenia sonarowego. Impedancja, kierunkowość, czułość, moc nadawcza, rozmiar itp. przetwornika są funkcjami częstotliwości. Ogólnie rzecz biorąc, przetwornik nadawczy jest obliczany na podstawie jego wskaźnika wydajności w ograniczonym paśmie częstotliwości wokół częstotliwości rezonansowej lub w pobliżu częstotliwości rezonansowej, z maksymalną wydajnością emisji na tej częstotliwości i w jej pobliżu. W przypadku szerokopasmowego przetwornika odbiorczego częstotliwość rezonansowa przetwornika piezoelektrycznego powinna być znacznie wyższa niż górna granica pasma odbiorczego, aby zapewnić płaską odpowiedź odbiorczą w paśmie szerokopasmowym i obliczyć odpowiedź odbiorczą przy częstotliwości rezonansowej i poniżej. Przetworniki sonarowe mają częstotliwość od dziesiątek Hz do kilku kiloherców, natomiast przetworniki sonarowe do wykrywania małych celów mieszczą się w zakresie od dziesiątek kiloherców do setek kiloherców.

(2) Kierunkowość

Niezależnie od tego, czy jest to przetwornik, czy układ przetworników, ich odpowiedź nadawcza lub odpowiedź odbiorcza będzie się zmieniać w zależności od ich kierunku. W tym przypadku przetwornik jest kierunkowy, a fale dźwiękowe emitowane przez przetwornik nadawczy są takie same, jak te emitowane przez reflektor. Ponieważ przetwornik ma kierunkowość, może skoncentrować energię dźwięku w określonym położeniu, aby energia była bardziej skoncentrowana. Aby utworzyć większy układ, stosuje się dużą liczbę przetworników. Kierunkowość jest ostrzejsza przy tej samej częstotliwości, energia jest bardziej skoncentrowana, a odległość transmisji jest większa. Stosunek sygnału do szumu jest większy, a odległość w stanie odbioru jest większa. Jest to charakterystyka impedancji (lub impedancji).

Przetwornik można postrzegać jako prosty szeregowo-równoległy obwód zastępczy w pobliżu częstotliwości rezonansowej. Każdy rezystor, kondensator lub cewka indukcyjna w obwodzie reprezentuje nieodłączną charakterystykę przetwornika, czyli charakterystykę impedancji (lub impedancji) przetwornika. Charakterystyka impedancji przetwornika jest dostosowana do obwodu wejściowego końcowej pętli nadajnika lub odbiornika. Impedancja (lub impedancja) przetwornika to liczba zespolona będąca funkcją częstotliwości i ogólnie można ją wyrazić jako: Z(w) = R(w) + jX(w) (w omach). W rezonansie mechanicznym warystor dynamiczny dąży do zera, a statyczną reaktancję pojemnościową można dostroić za pomocą dopasowanej cewki indukcyjnej. Można to uznać za czysty opór. Impedancja elektryczna przetwornika piezoelektrycznego mieści się zazwyczaj w zakresie od dziesiątek omów do tysięcy omów.

(4) Moc nadawania

Zadaniem dalmierza podwodnego jest przekształcenie mocy elektrycznej nadajnika elektronicznego w moc mechaniczną wibracji mechanicznych, a następnie przekształcenie mocy mechanicznej w moc akustyczną na potrzeby transmisji. Przesyłana moc akustyczna odnosi się do fizycznej wielkości przetwornika, który emituje energię do ośrodka w jednostce czasu. Jednostka mocy wyrażana jest w watach. Moc nadawcza przetwornika jest ograniczona przez takie czynniki, jak napięcie znamionowe (lub prąd), dynamiczna wytrzymałość mechaniczna, temperatura i właściwości dielektryczne.

(5) Odpowiedź na uruchomienie

Zdolnością do pełnego odzwierciedlenia parametrów przetwornika nadawczego jest odpowiedź emisyjna, głównie reakcja napięciowa emisji i odpowiedź prądowa emisji. Definicja odpowiedzi napięciowej emisji SV jest stosunkiem pozornego ciśnienia akustycznego Pf w polu swobodnym generowanego przez przetwornik nadawczy w odległości d0 m od jego efektywnego środka akustycznego w określonym kierunku i napięcia U przyłożonego na wejście przetwornika: SV=Pfd0 /U. Odpowiedź napięcia emisji jest zwykle wyrażana w decybelach.

Odpowiedź na prąd emisji jest stosunkiem pozornego ciśnienia akustycznego Pf w polu swobodnym generowanego przez przetwornik nadawczy w odległości d0 m od jego efektywnego środka akustycznego w określonym kierunku i prądu I przyłożonego do wejścia przetwornika: SI = Pf d0 / I . Odpowiedź napięcia emisji jest zwykle wyrażana w decybelach.

(6) Otrzymuj czułość

Czułość przetwornika na napięcie pola odnosi się do punktu, w którym napięcie w środku otwartym przetwornika odbiorczego U(w) znajduje się na wyjściu, a środek dźwięku znajduje się w wolnym polu (zakładając, że przetwornik odbiorczy nie jest obecny). Stosunek ciśnienia akustycznego Pf(w) wynosi M(w). W przypadku przetworników odbiorczych pożądane jest odbieranie padających sygnałów akustycznych w szerokim zakresie częstotliwości, podczas gdy przetworniki piezoelektryczne zazwyczaj działają w szerokim zakresie częstotliwości poniżej częstotliwości rezonansowej.

 (7) Wahania czułości odbioru

Szerokopasmowe przetworniki odbiorcze wymagają stosunkowo płaskiej odpowiedzi odbiorczej w używanym zakresie częstotliwości. Zazwyczaj określa się, że wahania czułości napięcia odbiorczego w paśmie częstotliwości roboczej wynoszą ±1,5 dB.