Основи підводного акустичного перетворювача

71% площі земної поверхні займає океан. Океан містить багаті біологічні та мінеральні ресурси, що є другим простором для виживання та розвитку людини в майбутньому. Гідролокатор використовується як пристрій підводного виявлення, є важливим помічником для освоєння океану людиною та є невід’ємною частиною військово-морської та цивільної навігаційної промисловості. Функція гідролокатора полягає в тому, щоб прослуховувати підводний корисний сигнал і перетворювати його в електричний сигнал для перегляду; або генерувати електричний сигнал, а потім перетворювати його в акустичний сигнал для поширення у водному середовищі, а потім відбивати його назад і приймати після зустрічі з ціллю. Він перетворюється в електричний сигнал для прослуховування або спостереження, таким чином визначаючи орієнтацію та відстань до об’єкта вимірювання. У процесі перетворення цього підводного електроакустичного сигналу ключовим обладнанням є підводний акустичний перетворювач або масив перетворювачів.

Застосування підводний акустичний перетворювач

в даний час Підводні акустичні перетворювачі широко використовуються в багатьох галузях, таких як промисловість, сільське господарство, національна оборона, транспорт і медицина. Ось лише деякі програми для підводного виявлення:

(1) Застосування в зондуванні: для забезпечення безпеки навігації зондуючий гідролокатор повинен бути встановлений як на військових, так і на цивільних кораблях; спеціальні судна для огляду каналів оснащені високоточними і повнофункціональними ехолотами. Залежно від глибини зондування частота і потужність зондуючого перетворювача також сильно відрізняються. Частота коливається від 10 кГц до 200 кГц, а потужність — від кількох ват до десятків кіловат. Серед них висока частота і низька потужність використовуються для внутрішніх річок або мілководних морів, а низька частота і висока потужність використовуються для океанічних і глибоких глибин. Вимоги до таких перетворювачів - стабілізація променя і гострий дальний промінь.

(2) Застосування підводні п’єзоелектричні перетворювачі в позиціонуванні та вимірюванні дальності: вимірювання швидкості судна до землі, переважно за допомогою доплерівського гідролокатора, чотири перетворювачі з однаковою продуктивністю для організації напрямку лівого та правого боків перпендикулярно кілю. Загальна робоча частота становить від 100 кГц до 500 кГц.

(3) Застосування в морських дослідженнях і підводних стратиграфічних дослідженнях: підводні геологічні дослідження в основному використовують низькочастотні сонари з великою апертурою. Буксируваний гідролокатор – це найбільший на сьогодні масив акустичних масивів на активному носії з найбільшою відстанню. У підводній зйомці зазвичай використовується високочастотний гідролокатор бокового огляду. Дві лінійні групи розташовані симетрично вздовж кіля в лівому і правому бортах корабля. Кожен з них випромінює віялоподібний спрямований промінь на морське дно, а потім приймає відбиті хвилі від морського дна. Інтенсивність нерівномірної хвилі відбиття різна, і на відображеному зображенні з’являються зображення з різною яскравістю. Оскільки робоча частота вища, акустичний сигнал слабшає швидше, а діапазон дії невеликий. Частотний діапазон тесту зараз становить від кількох десятків кілогерц до 500 тисяч. Це класифікація підводний акустичний перетворювач s.

Підводний ультразвуковий перетворювач можна розділити на електричний, електромагнітний, магнітострикційний, електростатичний, п’єзоелектричний і електрострикційний відповідно до різних принципів електромеханічного перетворення енергії. Наприклад, п’єзоелектрична кераміка, розроблена в середині століття, є п’єзоелектричною після поляризаційної обробки постійним струмом високої напруги. Тому його називають електрострикційним матеріалом і він є основним у сучасних п’єзоелектричних перетворювачах, особливо в ультразвукових перетворювачах. Поле має надзвичайно широкий спектр використання. The Підводний акустичний перетворювач можна розділити на такі категорії відповідно до різних режимів вібрації:

(1) Датчик поздовжньої вібрації: його напрямок вібрації паралельний поздовжньому напрямку. Хвиля напруги поширюється по довжині перетворювача, і її резонансна основна частота залежить від довжини, і є найбільш широко використовуваним типом у гідроакустичних системах.

(2) Циліндричний перетворювач: п’єзоелектрична керамічна трубка (або кільце) використовується для встановлення потрібної довжини через відповідну механічну структуру. Його можна зробити горизонтальним перетворювачем з горизонтальною неспрямованістю та керуванням вертикальної спрямованості. Це тип гідроакустичної системи, який поступається лише поздовжньому датчику. Це також стандартний гідрофон, який зазвичай використовується в гідроакустичній метрології. І один із вибірки стандартних передавачів.

(3) Перетворювач вібрації на згин: датчик вібрації на згин має такі переваги, як малий розмір і легка вага на низьких частотах (порівняно з перетворювачами з того самого активного матеріалу на тій же частоті), а форма вібрації має вигнуті балки, вигнуті диски, вигнуті пластини тощо.

(4) Датчики розтягування при згині: перетворювачі подовження при вигині, як правило, є композитними перетворювачами, які поєднують два режими вібрації. Наприклад, поздовжньо розтягуваний вібраційний стрижень і інший тип вигнутого корпусу об’єднані в безліч типів перетворювачів вигнутого розширення, а активний компонент круглої площинної радіальної вібрації можна об’єднати з вигнутим корпусом у формі чаші, щоб утворити подовження на вигин типу II. 

(5) Сферичний перетворювач: Сферичний перетворювач, виготовлений за допомогою дихальної вібрації порожнистої п’єзоелектричної керамічної сферичної оболонки, має перевагу гарної просторової симетрії. Він зазвичай використовується як гідрофон точкового джерела.

(6) Перетворювач вібрації на зсув: вібрація на зсув, у якій напрям вібрації та напрямок поляризації паралельні, а напрям провідного електричного поля перпендикулярний до напрямку вібрації, може відповідати певним спеціальним вимогам використання. Це форма підводного датчика 1MH, наприклад зубного каменю.

 3. Основні параметри підводний акустичний перетворювач

Основні показники діяльності Підводний акустичний перетворювач — це підводна робоча частота, діапазон робочих частот, смуга пропускання частот, рівень джерела звуку (акустична потужність) і відповідь на випромінювання, спрямованість, чутливість прийому та відгук чутливості прийому, ефективність випромінювання, коефіцієнт якості, імпеданс, максимальна робоча глибина, розмір і вага.

1) Робоча частота

Робоча частота або діапазон робочих частот гідроакустичного перетворювача зазвичай визначається робочою частотою гідролокатора. Імпеданс, спрямованість, чутливість, потужність передачі, розмір тощо перетворювача є функціями частоти. Загалом, перетворювач передачі розраховується для його індексу продуктивності в обмеженому діапазоні частот навколо резонансної частоти або поблизу резонансної частоти з максимальною ефективністю випромінювання на цій частоті та поблизу неї. Для широкосмугового приймального перетворювача резонансна частота п’єзоелектричного перетворювача повинна бути набагато вищою за верхню межу приймальної смуги, щоб забезпечити плоску приймальну характеристику в межах широкосмугового діапазону та обчислювати його приймальну характеристику на резонансній частоті та нижче. Частота гідроакустичних перетворювачів має діапазон від десятків Гц до кількох кілогерц, тоді як невеликі гідролокаційні перетворювачі виявлення цілей мають діапазон від десятків кілогерц до сотень кілогерц.

(2) Спрямованість

Незалежно від того, чи це перетворювач або масив датчиків, їх відповідь на передачу або відповідь на прийом змінюватиметься залежно від їхнього напрямку. Тут перетворювач спрямований, а звукові хвилі, що випромінюються передавальним перетворювачем, такі ж, як і прожектор. Оскільки перетворювач має спрямованість, він може концентрувати звукову енергію в певному положенні, щоб зробити енергію більш концентрованою. Велика кількість перетворювачів використовується для формування більшого масиву. Спрямованість різкіша на тій же частоті, енергія більш концентрована, а відстань передачі більша. Відношення сигнал/шум більше, а відстань більша в стані отримання. Це імпедансна (або адмітансна) характеристика.

Перетворювач можна розглядати як просту послідовно-паралельну еквівалентну схему поблизу резонансної частоти. Кожен резистор, конденсатор або котушка індуктивності в схемі представляє властиві характеристики перетворювача, що є характеристикою імпедансу (або пропускної здатності) перетворювача. Характеристики імпедансу перетворювача підбираються відповідно до вхідного контуру кінцевого контуру передавача або приймача. Імпеданс (або адмітанс) перетворювача є комплексним числом, яке є функцією частоти і може бути виражено як: Z(w) = R(w) + jX(w) (в Омах). У механічному резонансі динамічний варистор прагне до нуля, а статичний ємнісний реактивний опір можна налаштувати за допомогою відповідної котушки індуктивності. Це можна вважати чистим опором. Електричний опір п'єзоелектричного перетворювача зазвичай знаходиться в діапазоні від десятків Ом до тисяч Ом.

(4) Потужність передачі

Функція далекоміра Submarine полягає в тому, щоб перетворювати електричну потужність електронного передавача в механічну потужність механічної вібрації, а потім перетворювати механічну потужність в акустичну потужність для передачі. Потужність переданого звуку відноситься до фізичної величини перетворювача, який випромінює енергію в середовище за одиницю часу. Одиниця потужності виражається у ватах. Потужність передачі перетворювача обмежується такими факторами, як номінальна напруга (або струм), динамічна механічна міцність, температура та діелектричні характеристики.

(5) Реакція на запуск

Здатність повністю відображати продуктивність передавального перетворювача - це відповідь на випромінювання, головним чином відповідь на напругу випромінювання та відповідь на струм випромінювання. Визначення відгуку напруги випромінювання SV є відношенням уявного звукового тиску вільного поля Pf, створюваного передавальним перетворювачем на відстані d0 м від його ефективного акустичного центру в заданому напрямку, та напруги U, прикладеної до входу перетворювача: SV=Pfd0 /U. Напруга випромінювання зазвичай виражається в децибелах.

Відгук струму випромінювання – це відношення видимого звукового тиску вільного поля Pf, створюваного передавальним перетворювачем на відстані d0 м від його ефективного акустичного центру в заданому напрямку, до струму I, що подається на вхід перетворювача: SI = Pf d0 / I . Напруга випромінювання зазвичай виражається в децибелах.

(6) Чутливість прийому

Чутливість перетворювача до напруги поля відноситься до точки, в якій напруга відкритого центру приймального перетворювача U(w) знаходиться на виході та в центрі звуку у вільному полі (за умови, що приймальний перетворювач відсутній). Коефіцієнт звукового тиску Pf(w) дорівнює M(w). Для приймальних перетворювачів бажано отримувати падаючі акустичні сигнали в широкому діапазоні частот, тоді як п’єзоелектричні перетворювачі зазвичай працюють у широкому діапазоні частот нижче резонансної частоти.

 (7) Коливання чутливості прийому

широкосмугові приймальні перетворювачі вимагають відносно рівної відповіді прийому в діапазоні частот, який використовується. Зазвичай вказується, що коливання чутливості приймальної напруги становить ±1,5 дБ у робочому діапазоні частот.