Grunderna för akustisk undervattensgivare

71 % av jordens yta är havet. Havet innehåller rikliga biologiska och mineraliska resurser, vilket är det andra utrymmet för mänsklig överlevnad och utveckling i framtiden. Sonar används för en undervattensdetektionsenhet, är en viktig hjälpare för mänsklig utveckling av havet och är en oumbärlig del av sjöfarts- och civilnavigeringsindustrin. Ekolodets funktion är att lyssna på den användbara undervattenssignalen och omvandla den till en elektrisk signal för visning; eller att generera en elektrisk signal och sedan omvandla den till en akustisk signal för att spridas i vattenmediet, och sedan reflektera den tillbaka och ta emot den efter att ha träffat målet. Den omvandlas till en elektrisk signal för lyssnande eller observation, och bestämmer därigenom orienteringen och avståndet för mätobjektet. I omvandlingsprocessen av denna undervattens elektroakustiska signal är nyckelutrustningen akustisk undervattensgivare eller givaruppsättningen.

Tillämpning av akustisk undervattensgivare

För närvarande, akustiska undervattensgivare har använts i stor utsträckning inom många områden som industri, jordbruk, nationellt försvar, transport och medicinsk. Här är bara några av applikationerna för undervattensdetektion:

(1) Tillämpning vid sondering: För att säkerställa navigeringssäkerheten bör sonar installeras för både krigsfartyg och civila fartyg; speciella kanalinspektionsfartyg är utrustade med hög precision och fullfjädrade ekolod. Beroende på ljudets djup är frekvensen och effekten av den ljudande givaren också mycket olika. Frekvensen sträcker sig från 10 kHz till 200 kHz, och effekten varierar från flera watt till tiotals kilowatt. Bland dem används hög frekvens och låg effekt för floder i inlandet eller grunda hav, och låg frekvens och hög effekt används för oceaniska och djupa djup. Kraven för sådana givare är strålstabilisering och skarpt helljus.

(2) Tillämpning av piezoelektriska undervattensgivare i positionering och avstånd: Mätning av fartygets hastighet till marken, mestadels med hjälp av doppler-ekolod, fyra givare med samma prestanda för att arrangera riktningen på vänster och höger sida vinkelrätt mot kölen. Den allmänna driftfrekvensen är mellan 100kHz och 500kHz.

(3) Tillämpningar vid havsundersökningar och stratigrafisk utforskning av ubåten: Undervattensgeologiska undersökningar använder huvudsakligen lågfrekventa ekolod med stor öppning. Bogserat ekolod är den största samlingen av akustiska arrayer på den aktiva bäraren idag med det längsta avståndet. I undervattensavbildningen används vanligtvis högfrekventa sido-ekolod. Två linjära arrayer är arrangerade symmetriskt längs kölen på vänster och höger sida av fartyget. Var och en av dem avger en solfjäderformad riktad stråle till havsbotten och tar sedan emot reflekterade vågor från havsbotten. Intensiteten på den ojämna reflektionsvågen är annorlunda, och bilder med olika ljusstyrka visas på den visade bilden. Eftersom arbetsfrekvensen är högre dämpas den akustiska signalen snabbare, och åtgärdsområdet är inte långt. Frekvensområdet för testet är nu flera tiotals kilohertz till 500 tusen. Det är klassificering av akustisk undervattensgivare s.

Undervattens ultraljudsgivare kan delas in i elektriska, elektromagnetiska, magnetostriktiva, elektrostatiska, piezoelektriska och elektrostriktiva enligt olika principer för elektromekanisk energiomvandling. Till exempel är piezoelektrisk keramik som utvecklades i mitten av seklet piezoelektrisk efter högspännings DC-polarisationsbehandling. Därför kallas det elektrostriktivt material och är huvudströmmen av dagens piezoelektriska givare, särskilt i ultraljudsgivare. Fältet har ett extremt brett användningsområde. De akustisk undervattensgivare kan delas in i följande kategorier enligt olika vibrationslägen:

(1) Längsgående vibrationsgivare: dess vibrationsriktning är parallell med längdriktningen. Spänningsvågen utbreder sig i givarens längd, och dess resonansgrundfrekvens beror på längden och är den mest använda typen i ekolodssystem.

(2) Cylindrisk givare: Ett piezoelektriskt keramiskt rör (eller ring) används för att montera den önskade längden genom en lämplig mekanisk struktur. Den kan göras till en horisontell givare med horisontell icke-riktningsstyrning och vertikal riktningsstyrning. Det är en typ av ekolodssystem som är näst efter den longitudinella givaren. Det är också en standardhydrofon som vanligtvis används inom hydroakustisk metrologi. Och en av urvalet av standardsändare.

(3) Böjningsvibrationsgivare: Böjningsvibrationsgivaren har fördelarna med liten storlek och låg vikt vid låga frekvenser (jämfört med givare av samma aktiva material vid samma frekvens), och vibrationsformen har böjda balkar, böjda skivor, böjda plattor, etc.

(4) Böjningsförlängningsgivare: Böjningsförlängningsgivare är vanligtvis sammansatta givare som kombinerar två vibrationslägen. Till exempel kombineras en längsgående töjbar vibrationsstång och en annan typ av krökt hölje till ett flertal typer av krökta förlängningsgivare, och en cirkulär, plan radiell vibrationsaktiv komponent kan kombineras med ett skålformat krökt hölje för att bilda en böjförlängning av typ II. 

(5) Sfärisk givare: Den sfäriska givaren som är gjord av andningsvibrationer från det ihåliga piezoelektriska keramiska sfäriska skalet har fördelen av god rumssymmetri. Den används vanligtvis som en punktkälla-hydrofon.

(6) Skjuvvibrationsgivare: Skjuvvibrationen i vilken vibrationsriktningen och polarisationsriktningen är parallella och riktningen för det drivande elektriska fältet är vinkelrät mot vibrationsriktningen kan uppfylla vissa speciella användningskrav. Detta är formen av en 1MH undervattensgivare såsom en tandsten.

 3. Huvudparametrar för akustisk undervattensgivare

De viktigaste resultatindikatorerna för akustiska undervattensgivare är undervattensarbetsfrekvens, arbetsfrekvensomfång, frekvensbandbredd, emissionsljudkällasnivå (akustisk effekt) och emissionsrespons, riktningsförmåga, mottagningskänslighet och mottagningskänslighetsrespons, emissionseffektivitet, kvalitetsfaktor, impedans, maximalt arbetsdjup, storlek och vikt.

1) Arbetsfrekvens

Arbetsfrekvensen eller arbetsfrekvensområdet för en hydroakustisk givare bestäms typiskt av ekolodsenhetens arbetsfrekvens. Impedansen, riktningsförmågan, känsligheten, sändningseffekten, storleken etc. givaren är alla funktioner av frekvens. I allmänhet beräknas sändargivaren för dess prestandaindex i det begränsade frekvensbandet runt resonansfrekvensen eller nära resonansfrekvensen, med maximal emissionseffektivitet vid och nära denna frekvens. För en bredbandsmottagningsgivare bör resonansfrekvensen för den piezoelektriska omvandlaren vara mycket högre än den övre gränsen för mottagningsbandet för att säkerställa ett platt mottagningssvar inom bredbandet och för att beräkna dess mottagningssvar vid resonansfrekvensen och under. Frekvens ekolodsgivare sträcker sig i frekvens från tiotals Hz till flera kilohertz, medan ekolodsgivare för små måldetektering sträcker sig från tiotals kilohertz till hundratals kilohertz.

(2)Direktivitet

Oavsett om det är en givare eller en givare, kommer deras sändnings- eller mottagningssvar att ändras med avseende på deras riktning. Det är här givaren är riktad och ljudvågorna som sänds ut av den sändande givaren är desamma som de som sänds ut av strålkastaren. Eftersom givaren har riktverkan kan den koncentrera ljudenergin till en viss position för att göra energin mer koncentrerad. Ett stort antal givare används för att bilda en större grupp. Riktningen är skarpare vid samma frekvens, energin är mer koncentrerad och överföringsavståndet är längre. Signal-brusförhållandet är större och avståndet är längre i mottagningsläget. Det är impedans (eller admittans) egenskaper.

Givaren kan ses som en enkel serieparallell ekvivalent krets nära resonansfrekvensen. Varje motstånd, kondensator eller induktor i kretsen representerar givarens inneboende egenskaper, vilket är givarens impedans (eller admittans) karakteristik. Givarens impedansegenskaper bemästras för att matcha ingångskretsen för sändarens slutslinga eller mottagare. Impedansen (eller admittansen) för en givare är ett komplext tal som är en funktion av frekvensen och kan generellt uttryckas som: Z(w) = R(w) + jX(w) (i ohm).I den mekaniska resonansen tenderar den dynamiska varistorn till noll, och den statiska kapacitiva reaktansen kan ställas in med en matchande induktor. Detta kan betraktas som ett rent motstånd. Elektrisk impedans för piezoelektrisk givare är typiskt i intervallet från tiotals ohm till tusentals ohm.

(4) Sändningseffekt

Ubåtens avståndsmätares funktion är att omvandla den elektriska kraften hos den elektroniska sändaren till mekanisk kraft av mekanisk vibration och sedan omvandla den mekaniska kraften till akustisk kraft för överföring. Den överförda ljudeffekten avser den fysiska kvantiteten hos givaren som utstrålar energi till mediet per tidsenhet. Enheten för effekt uttrycks i watt. Givarens sändningseffekt begränsas av faktorer som märkspänning (eller ström), dynamisk mekanisk styrka, temperatur och dielektriska egenskaper.

(5) Startsvar

Förmågan att fullt ut återspegla den sändande givarens prestanda är emissionssvaret, främst emissionsspänningssvaret och emissionsströmsvaret. Definitionen av emissionsspänningssvaret SV är förhållandet mellan det fria fältets skenbara ljudtryck Pf som genereras av den sändande givaren på ett avstånd av d0 m från dess effektiva akustiska centrum i den specificerade riktningen och spänningen U som appliceras på givarens ingång: SV=Pfd0 /U. Emissionsspänningssvaret uttrycks vanligtvis i decibel.

Emissionsströmsvaret är förhållandet mellan det fria fältets skenbara ljudtryck Pf som genereras av den sändande givaren på ett avstånd av d0 m från dess effektiva akustiska centrum i den specificerade riktningen och strömmen I som appliceras på givarens ingång: SI = Pf d0 / I . Emissionsspänningssvaret uttrycks vanligtvis i decibel.

(6) Mottagskänslighet

Givarens fältspänningskänslighet hänvisar till den punkt där den mottagande givarens öppna centrumspänning U(w) är vid utgången och mitten av ljudet i det fria fältet (förutsatt att den mottagande givaren inte är närvarande). Förhållandet mellan ljudtrycket Pf(w) är M(w). För mottagande omvandlare är det önskvärt att ta emot infallande akustiska signaler över ett brett område av frekvenser, medan piezoelektriska omvandlare typiskt arbetar över ett brett frekvensområde under resonansfrekvensen.

 (7) Fluktuation av mottagningskänslighet

bredbandsmottagande omvandlare kräver ett relativt platt mottagningssvar över det använda frekvensområdet. Vanligtvis anges att känslighetsfluktuationen för mottagningsspänningen är ±1,5dB i driftfrekvensbandet.