Bazele traductorului acustic subacvatic

71% din suprafața pământului este oceanul. Oceanul conține resurse biologice și minerale abundente, care este al doilea spațiu pentru supraviețuirea și dezvoltarea omului în viitor. Sonarul este folosit pentru un dispozitiv de detectare subacvatic, este un ajutor important pentru dezvoltarea umană a oceanului și este o parte indispensabilă a industriei de navigație navală și civilă. Funcția sonarului este de a asculta semnalul util subacvatic și de a-l transforma într-un semnal electric pentru vizualizare; sau pentru a genera un semnal electric și apoi a-l converti într-un semnal acustic pentru a se propaga în mediul de apă și apoi a-l reflecta înapoi și a-l primi după ce ați întâlnit ținta. Este transformat într-un semnal electric pentru ascultare sau observare, determinând astfel orientarea și distanța obiectului de măsurat. În procesul de conversie a acestui semnal electroacustic subacvatic, echipamentul cheie este traductorul acustic subacvatic sau matricea de traductoare.

Aplicarea traductor acustic subacvatic

În prezent, Traductoarele acustice subacvatice au fost utilizate pe scară largă în multe domenii precum industrie, agricultură, apărare națională, transport și medical. Iată doar câteva dintre aplicațiile pentru detectarea subacvatică:

(1) Aplicarea în sondaj: Pentru a asigura siguranța navigației, sonarul de sondare ar trebui să fie instalat atât pentru navele de război, cât și pentru navele civile; navele speciale de inspecție a canalelor sunt echipate cu sonde de adâncime de înaltă precizie și cu funcții complete. În funcție de adâncimea de sunet, frecvența și puterea traductorului de sunet sunt, de asemenea, foarte diferite. Frecvența variază de la 10 kHz la 200 kHz, iar puterea variază de la câțiva wați la zeci de kilowați. Printre acestea, frecvența înaltă și puterea mică sunt folosite pentru râurile interioare sau mările de mică adâncime, iar frecvența joasă și puterea mare sunt folosite pentru adâncimi oceanice și adânci. Cerințele pentru astfel de traductoare sunt stabilizarea fasciculului și fasciculul principal ascuțit.

(2) Aplicarea traductoare piezoelectrice subacvatice în poziționare și distanță: Măsurarea vitezei navei la sol, în cea mai mare parte folosind sonar Doppler, patru traductoare cu aceeași performanță pentru a aranja direcția părților stânga și dreaptă perpendicular pe chilă. Frecvența generală de funcționare este între 100 kHz și 500 kHz.

(3) Aplicații în studiile marine și explorarea stratigrafică submarină: Studiile geologice submarine utilizează în principal sonar de joasă frecvență cu deschidere mare. Sonarul remorcat este cea mai mare gamă de rețele acustice de pe purtătorul activ de astăzi, cu cea mai lungă distanță. În imaginile subacvatice, se folosește de obicei sonarul cu vedere laterală de înaltă frecvență. Două rețele liniare sunt dispuse simetric de-a lungul chilei în partea stângă și dreaptă a navei. Fiecare dintre ele emite un fascicul direcțional în formă de evantai către fundul mării și apoi primește unde reflectate de pe fundul mării. Intensitatea undei de reflexie neuniformă este diferită, iar imaginile cu luminozitate diferită apar pe imaginea afișată. Deoarece frecvența de operare este mai mare, semnalul acustic este atenuat mai repede, iar raza de acțiune nu este departe. Gama de frecvență a testului este acum de câteva zeci de kiloherți până la 500 de mii. Este clasificarea traductor acustic subacvatic s.

Traductorul cu ultrasunete subacvatic poate fi împărțit în electric, electromagnetic, magnetostrictiv, electrostatic, piezoelectric și electrostrictiv, conform diferitelor principii de conversie a energiei electromecanice. De exemplu, ceramica piezoelectrică dezvoltată la mijlocul secolului este piezoelectrică după tratamentul de polarizare DC de înaltă tensiune. Prin urmare, se numește material electrostrictiv și este curentul principal al traductoarelor piezoelectrice de astăzi, în special în traductoarele cu ultrasunete. Domeniul are o gamă extrem de largă de utilizări. The traductorul acustic subacvatic poate fi împărțit în următoarele categorii în funcție de diferite moduri de vibrație:

(1) Traductor de vibrație longitudinală: direcția sa de vibrație este paralelă cu direcția longitudinală. Unda de stres se propagă pe lungimea traductorului, iar frecvența sa fundamentală de rezonanță depinde de lungime și este tipul cel mai utilizat în sistemele sonar.

(2) Traductor cilindric: Un tub ceramic piezoelectric (sau inel) este utilizat pentru a monta lungimea dorită printr-o structură mecanică adecvată. Poate fi transformat într-un traductor orizontal cu non-direcționalitate orizontală și control vertical al directivității. Este un tip de sistem sonar care este al doilea numai după traductorul longitudinal. Este, de asemenea, un hidrofon standard utilizat în mod obișnuit în metrologia hidroacustică. Și una dintre selecția de emițătoare standard.

(3) Traductor de vibrații de îndoire: traductorul de vibrații de îndoire are avantajele dimensiunilor mici și greutății reduse la frecvențe joase (comparativ cu traductoarele din același material activ la aceeași frecvență), iar forma de vibrație are fascicule curbate, discuri curbate, plăci curbate etc.

(4) Traductoare cu extensie de îndoire: traductoarele cu extensie de îndoire sunt, în general, traductoare compozite care combină două moduri de vibrație. De exemplu, o bară vibrantă extensibilă longitudinal și un tip diferit de carcasă curbată sunt combinate într-o multitudine de tipuri de traductoare de extensie curbată, iar o componentă activă de vibrație radială circulară plană poate fi combinată cu o carcasă curbată în formă de bol pentru a forma o extensie de îndoire de tip II. 

(5) Traductor sferic: traductorul sferic realizat prin vibrația respiratorie a carcasei sferice ceramice piezoelectrice goale are avantajul unei bune simetrii spațiale. Este folosit în mod obișnuit ca hidrofon cu sursă punctiformă.

(6) Traductor de vibrație de forfecare: vibrația de forfecare în care direcția de vibrație și direcția de polarizare sunt paralele și direcția câmpului electric de antrenare este perpendiculară pe direcția de vibrație poate îndeplini anumite cerințe speciale de utilizare. Aceasta este forma unui traductor subacvatic 1MH, cum ar fi un calcul dentar.

 3. Parametrii principali ai traductor acustic subacvatic

Principalii indicatori de performanță ai traductoarele acustice subacvatice sunt frecvența de lucru subacvatică, intervalul de frecvență de operare, lățimea de bandă de frecvență, nivelul sursei de sunet de emisie (putere acustică) și răspunsul de emisie, directivitate, sensibilitate de recepție și răspuns de sensibilitate de recepție, eficiență de emisie, factor de calitate, impedanță, adâncime maximă de lucru, dimensiune și greutate.

1) Frecvența de lucru

Frecvența de funcționare sau intervalul de frecvență de funcționare a unui traductor hidroacustic este determinată de obicei de frecvența de funcționare a dispozitivului sonar. Impedanța, directivitatea, sensibilitatea, puterea de transmisie, dimensiunea etc. traductorului sunt toate funcții ale frecvenței. În general, traductorul de transmisie este calculat pentru indicele său de performanță în banda de frecvență limitată în jurul frecvenței de rezonanță sau în apropierea frecvenței de rezonanță, cu eficiență maximă de emisie la și în apropierea acestei frecvențe. Pentru un traductor de recepție în bandă largă, frecvența de rezonanță a traductorului piezoelectric ar trebui să fie mult mai mare decât limita superioară a benzii de recepție pentru a asigura un răspuns plat de recepție în banda largă și pentru a calcula răspunsul său de recepție la frecvența de rezonanță și mai jos. Traductoarele sonar de frecvență variază în frecvență de la zeci de Hz la câțiva kiloherți, în timp ce traductoarele sonar de detectare a țintei mici variază de la zeci de kiloherți la sute de kiloherți.

(2) Directivitate

Indiferent dacă este un traductor sau o matrice de traductoare, răspunsul lor de transmisie sau răspunsul de recepție se va schimba în funcție de direcția lor. Aici traductorul este direcțional, iar undele sonore emise de traductorul de transmisie sunt aceleași cu cele emise de reflector. Deoarece traductorul are directivitate, poate concentra energia sonoră într-o anumită poziție pentru a face energia mai concentrată. Un număr mare de traductoare sunt folosite pentru a forma o matrice mai mare. Directivitatea este mai clară la aceeași frecvență, energia este mai concentrată, iar distanța de transmisie este mai mare. Raportul semnal-zgomot este mai mare, iar distanța este mai mare în starea de recepție. Este caracteristicile de impedanță (sau de admitere).

Traductorul poate fi privit ca un simplu circuit echivalent serie-paralel în apropierea frecvenței de rezonanță. Fiecare rezistor, condensator sau inductor din circuit reprezintă caracteristicile inerente ale traductorului, care este caracteristica de impedanță (sau admitanță) a traductorului. Caracteristicile de impedanță ale traductorului sunt stăpânite pentru a se potrivi cu circuitul de intrare al buclei finale sau receptorului emițătorului. Impedanța (sau admitanța) unui traductor este un număr complex care este o funcție de frecvență și poate fi exprimat în general ca: Z(w) = R(w) + jX(w) (în ohmi). În rezonanța mecanică, varistorul dinamic tinde spre zero, iar reactanța capacitivă statică poate fi reglată cu un inductor potrivit. Aceasta poate fi privită ca o rezistență pură. Impedanța electrică a traductorului piezoelectric este de obicei în intervalul de la zeci de ohmi la mii de ohmi.

(4) Transmite putere

Funcția telemetrului Submarine este de a converti puterea electrică a transmițătorului electronic în putere mecanică de vibrație mecanică și apoi de a converti puterea mecanică în putere acustică pentru transmisie. Puterea sunetului transmisă se referă la cantitatea fizică a traductorului care radiază energie în mediu pe unitatea de timp. Unitatea de măsură a puterii este exprimată în wați. Puterea de transmisie a traductorului este limitată de factori precum tensiunea nominală (sau curentul), rezistența mecanică dinamică, temperatura și caracteristicile dielectrice.

(5) Răspuns de lansare

Capacitatea de a reflecta pe deplin performanța traductorului de transmisie este răspunsul la emisie, în principal răspunsul la tensiunea de emisie și răspunsul la curentul de emisie. Definiția răspunsului la tensiunea de emisie SV este raportul dintre presiunea sonoră aparentă în câmp liber Pf generată de traductorul emițător la o distanță de d0 m de centrul său acustic efectiv în direcția specificată și tensiunea U aplicată la intrarea traductorului: SV=Pfd0 /U. Răspunsul la tensiunea de emisie este de obicei exprimat în decibeli.

Răspunsul curentului de emisie este raportul dintre presiunea sonoră aparentă în câmp liber Pf generată de traductorul emițător la o distanță de d0 m de centrul său acustic efectiv în direcția specificată și curentul I aplicat la intrarea traductorului: SI = Pf d0 / I . Răspunsul la tensiunea de emisie este de obicei exprimat în decibeli.

(6) Primiți sensibilitate

Sensibilitatea la tensiunea de câmp a traductorului se referă la punctul în care tensiunea centrală deschisă U(w) a traductorului receptor este la ieșire și centrul sunetului în câmpul liber (presupunând că traductorul receptor nu este prezent). Raportul presiunii sonore Pf(w) este M(w). Pentru recepția traductoarelor, este de dorit să se recepționeze semnale acustice incidente pe o gamă largă de frecvențe, în timp ce traductoarele piezoelectrice funcționează în mod obișnuit pe o gamă largă de frecvențe sub frecvența de rezonanță.

 (7) Fluctuația sensibilității de recepție

Traductoarele de recepție în bandă largă necesită un răspuns de recepție relativ plat pe intervalul de frecvență utilizat. De obicei, este specificat că fluctuația sensibilității tensiunii de recepție este de ±1,5 dB în banda de frecvență de operare.