Grundlagen des akustischen Unterwasserswandlers

71% der Erdfläche sind der Ozean. Der Ozean enthält reichlich biologische und mineralische Ressourcen, was in Zukunft der zweite Raum für das Überleben und die Entwicklung des Menschen ist. Sonar wird für ein Unterwassererkennungsgerät verwendet, ist ein wichtiger Helfer für die menschliche Entwicklung des Ozeans und ein unverzichtbarer Bestandteil der Marine- und Zivil Navigationsindustrie. Die Funktion des Sonargeräts besteht darin, das unter Wasser nützliche Signal anzuhören und es in ein elektrisches Signal für die Anzeige umzuwandeln. oder um ein elektrisches Signal zu erzeugen und es dann in ein akustisches Signal umzuwandeln, um sich im Wassermedium auszubreiten, und dann zurück reflektieren und nach der Begegnung auf das Ziel empfangen. Es wird in ein elektrisches Signal für das Hören oder Beobachtung umgewandelt, wodurch die Ausrichtung und Abstand des Messobjekts bestimmt werden. Im Umwandlungsprozess dieses elektroakustischen Unterwassersignals ist die Schlüsselausrüstung dieUnterwasser akustischer Wandleroder das Wandlerarray.

Anwendung vonUnterwasser akustischer Wandler

Momentan,Unterwasser akustischer WandlerS wurden in vielen Bereichen wie Industrie, Landwirtschaft, nationaler Verteidigung, Transport und medizinisch häufig eingesetzt. Hier sind nur einige der Anwendungen zur Unterwassererkennung:

, Spezielle Kanalinspektionsschiffe sind mit hohen Präzision und Sounders mit vollem Funktionsgeschäft ausgestattet. Abhängig von der Tiefe des Klangs sind auch die Frequenz und Leistung des klingenden Wandlers sehr unterschiedlich. Die Frequenz reicht von 10 kHz bis 200 kHz, und die Macht reicht von mehreren Watt bis Zehn Kilowatt. Unter ihnen werden Hochfrequenz und niedrige Leistung für Flüsse im Landesinneren oder flache See verwendet, und niedrige Frequenz und hohe Leistung werden für ozeanische und tiefe Tiefen verwendet. Die Anforderungen für solche Wandler sind Strahlstabilisierung und scharfer Hauptstrahl.

(2) Anwendung vonUnterwasserpiezoelektrische WandlerBei der Positionierung und Reichweite: Messung der Geschwindigkeit des Schiffes zum Boden, hauptsächlich mit Doppler -Sonar, vier Wandler mit der gleichen Leistung, um die Richtung der linken und rechten Seiten senkrecht zum Kiel zu ordnen. Die allgemeine Betriebsfrequenz liegt zwischen 100 kHz und 500 kHz.

. Towed Sonar ist heute mit der längsten Entfernung die größte Auswahl an akustischen Arrays auf dem aktiven Träger. In der Unterwasserbildgebung wird normalerweise hochfrequentes Seitenansichtsonar verwendet. Zwei lineare Arrays sind symmetrisch entlang des Kiels in der linken und rechten Seite des Schiffes angeordnet. Jeder von ihnen gibt einen fächerförmigen Richtstrahl am Meeresboden aus und erhält dann reflektierte Wellen aus dem Meeresboden. Die Intensität der ungleichmäßigen Reflexionswelle ist unterschiedlich und Bilder mit unterschiedlicher Helligkeit erscheinen auf dem angezeigten Bild. Da die Betriebsfrequenz ein höheres akustisches Signal ist, wird schneller abgeschwächt und der Bereich der Wirkung ist nicht weit. Der Frequenzbereich des Tests beträgt jetzt mehrere zehn Kilohertz bis 500 Tausend. Es ist klassifiziert vonUnterwasser akustischer Wandlers.

Unterwasser -Ultraschallwandler kann in elektromagnetisches, magnetostriktives, elektrostatisches, piezoelektrisches und elektrostriktives in elektromagnetisches, magnetostriktives, nach verschiedenen Prinzipien für elektromechanische Energieumwandlung unterteilt werden. Beispielsweise sind piezoelektrische Keramiken, die in der Mitte des Jahrhunderts entwickelt wurden, piezoelektrisch nach einer Hochspannungs-DC-Polarisationsbehandlung. Daher wird es als elektrostriktives Material bezeichnet und ist der Mainstream der heutigen piezoelektrischen Wandler, insbesondere in Ultraschallwandlern. Das Feld hat eine extrem große Auswahl an Verwendungsmöglichkeiten. DasUnterwasser akustischer Wandlerkann nach verschiedenen Vibrationsmodi in die folgenden Kategorien unterteilt werden:

(1) Längsschwingungswandler: Seine Schwingungsrichtung ist parallel zur Längsrichtung. Die Spannungswelle verbreitet sich in der Länge des Wandlers, und ihre resonante grundlegende Frequenz hängt von der Länge ab und ist der am häufigsten verwendete Typ in Sonarsystemen.

(2) Zylindrischer Wandler: Ein piezoelektrischer Keramikrohr (oder Ring) wird verwendet, um die gewünschte Länge durch eine geeignete mechanische Struktur zu montieren. Es kann zu einem horizontalen Wandler mit horizontaler Nichtdirektionalität und vertikaler Direktivitätskontrolle verarbeitet werden. Es ist eine Art Sonarsystem, die nur zum Längsschnittschatzer an zweiter Stelle steht. Es ist auch ein Standardhydrophon, das üblicherweise in der hydroakustischen Metrologie verwendet wird. Und eine der Auswahl an Standardsendern.

(3) Biegeschwingungswandler: Der Biegeschwingungswandler hat die Vorteile von geringer Größe und geringem Gewicht bei niedrigen Frequenzen (im Vergleich zu Wandlern desselben aktiven Materials bei gleicher Frequenz), und die Schwingungsform hat gekrümmte Balken, gebogene Scheiben, gekrümmt, gekrümmt Teller usw.

(4) Biegeverlängerungswandler: Biegeverlängerungswandler sind im Allgemeinen Verbundwandler, die zwei Schwingungsmodi kombinieren. Zum Beispiel werden ein längsdehnbarer Vibrationsstab und eine andere Art von gekrümmtem Gehäuse zu einer Vielzahl von Arten von gekrümmten Verlängerungswandlern kombiniert, und eine kreisförmige planare radiale Vibrationstätigkeit kann mit einem gebogenen Schalengehäuse kombiniert werden, um einen Typ II zu bilden. Biegeverlängerung.

(5) sphärische Wandler: Der durch die respiratorische Schwingung der hohle piezoelektrische keramische kugelförmige Schale hergestellte sphärische Wandler hat den Vorteil einer guten räumlichen Symmetrie. Es wird üblicherweise als Punktquellenhydrophon verwendet.

(6) Schervibrationswandler: Die Schervibration, in der die Vibrationsrichtung und die Polarisationsrichtung parallel sind, und die Richtung des antreibenden elektrischen Feldes senkrecht zur Schwingungsrichtung ist, kann bestimmte Anforderungen an die spezielle Verwendung erfüllen. Dies ist die Form eines 1 -mH -Unterwasserwandlers wie einem Zahnkalkül.

3. Hauptparameter vonUnterwasser akustischer Wandler

Die wichtigsten Leistungsindikatoren vonUnterwasser akustischer Wandlersind Unterwasserarbeitsfrequenz, Betriebsfrequenzbereich, Frequenzbandbreite, Emissionsklangquellenpegel (Akustikleistung) und Emissionsantwort, Direktivität, Empfindlichkeitsempfindlichkeit und Empfindlichkeitsreaktion, Emissionseffizienz, Qualitätsfaktor, Impedanz, maximale Arbeitstiefe, Größe und Gewicht.

1) Arbeitsfrequenz

Die Betriebsfrequenz oder der Betriebsfrequenzbereich eines Hydroakustikers wird typischerweise durch die Betriebsfrequenz des Sonargeräts bestimmt. Die Impedanz, Richtfähigkeit, Empfindlichkeit, Übertragungsleistung, Größe usw. Der Wandler sind Frequenzfunktionen. Im Allgemeinen wird der Sender -Wandler für seinen Leistungsindex im begrenzten Frequenzband um die Resonanzfrequenz oder in der Nähe der Resonanzfrequenz berechnet, wobei die maximale Emissionseffizienz bei und in der Nähe dieser Frequenz. Für einen Breitbandempfänger -Wandler sollte die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers viel höher sein als die Obergrenze des Empfangsbandes, um eine flache Empfangsreaktion innerhalb des Breitbands zu gewährleisten und seine Empfangsantwort bei der Resonanzfrequenz und darunter zu berechnen. Frequenz -Sonar -Wandler reichen in der Frequenz von zehn Hz bis zu mehreren Kilohertz, während die SONAR -Wandler der kleinen Zieldetektion von Zehn Kilohertz bis Hunderten von Kilohertz reichen.

(2) Direktivität

Unabhängig davon, ob es sich um einen Wandler oder ein Wandlerarray handelt, ändert sich ihre Übertragungsantwort oder Empfangsantwort in Bezug auf ihre Richtung. Hier ist der Wandler richtungsmäßig und die vom Sendeschild aus emittierten Schallwellen sind die gleichen wie die vom Suchscheinwerfer emittierten. Da der Wandler eine Richtfähigkeit hat, kann er die Schallenergie auf eine bestimmte Position konzentrieren, um die Energie stärker zu machen. Eine große Anzahl von Wandlern wird verwendet, um ein größeres Array zu bilden. Die Direktivität ist mit der gleichen Frequenz schärfer, die Energie ist konzentrierter und die Übertragungsabstand ist weiter. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist größer und der Abstand im Empfangszustand länger. Es sind Impedanz- (oder Zulassungs-) Eigenschaften.

Der Wandler kann als einfache Serie-Parallel-Äquivalentkreis in der Nähe der Resonanzfrequenz angesehen werden. Jeder Widerstand, Kondensator oder Induktor in der Schaltung repräsentiert die inhärenten Eigenschaften des Wandlers, der die Merkmale der Wandlerimpedanz (oder Zulassung) ist. Die Impedanzeigenschaften des Wandlers werden so gemeistert, dass sie dem Eingangskreis der endgültigen Schleife oder Empfänger des Senders entsprechen. Die Impedanz (oder Zulassung) eines Wandlers ist eine komplexe Zahl, die eine Funktion der Frequenz ist und im Allgemeinen als: z (w) = r (w) + jx (w) (in ohm) ausgedrückt werden kann. In der mechanischen Resonanz, Der dynamische Varistor tendiert zu Null und die statische kapazitive Reaktanz kann mit einem passenden Induktor eingestellt werden. Dies kann als reiner Widerstand angesehen werden. Die elektrische Impedanz des piezoelektrischen Wandlers liegt typischerweise im Bereich von Ohm -Ohm bis Tausenden von Ohm.

(4) Strom übertragen

Die Funktion des U -Boot -Bereichsfinders besteht darin, die elektrische Leistung des elektronischen Senders in mechanische Leistung der mechanischen Schwingung umzuwandeln und dann die mechanische Leistung in die Akustikleistung für die Übertragung umzuwandeln. Die übertragene Schallkraft bezieht sich auf die physikalische Menge des Wandlers, die Energie in das Medium pro Zeiteinheit ausstrahlt. Die Stromeinheit wird in Watts ausgedrückt. Die Übertragungsleistung des Wandlers ist durch Faktoren wie Nennspannung (oder Strom), dynamische mechanische Festigkeit, Temperatur und dielektrische Eigenschaften begrenzt.

(5) Startantwort

Die Fähigkeit, die Leistung des Übertragungswandlers vollständig zu reflektieren, ist die Emissionsantwort, hauptsächlich die Emissionsspannungsantwort und die Emissionsstromantwort. Die Definition der Emissionsspannungsantwort -SV ist das Verhältnis des vom Übertragungswandlers in einem Abstand von D0 m von seinem effektiven akustischen Zentrum in der angegebenen Richtung und der Spannung U auf den Eingang des Wandler angelegten Verhältnis des freien Feldschalldrucks erzeugten : Sv = pfd0 /u. Die Emissionsspannungsantwort wird normalerweise in Dezibel exprimiert.

Die Emissionsstromreaktion ist das Verhältnis des vom Übertragungswandlers in einem Abstand von D0 m von seinem effektiven akustischen Zentrum in der angegebenen Richtung und dem Strom I angewendeten Eingang des Wandlers angewendeten Verhältnisses des Freifeldschalldrucks: Si = PF D0 / i. Die Emissionsspannungsantwort wird normalerweise in Dezibel exprimiert.

(6) Empfindlichkeit erhalten

Die Feldspannungsempfindlichkeit des Wandlers bezieht sich auf den Punkt, an dem sich die offene Mittelspannung des Empfangswandlers u (w) im Ausgang und in der Mitte des Schalls im Freifeld befindet (vorausgesetzt, der empfangende Wandler ist nicht vorhanden). Das Verhältnis von Schalldruck PF (W) beträgt M (W). Für den Empfang von Wandlern ist es wünschenswert, einfallende akustische Signale über einen weiten Bereich von Frequenzen zu erhalten, während piezoelektrische Wandler typischerweise über einen weiten Frequenzbereich unterhalb der Resonanzfrequenz arbeiten.

(7) Schwankung der Empfindlichkeitsempfindlichkeit

Breitbandempfänger -Wandler benötigen eine relativ flache Empfangsreaktion über den verwendeten Frequenzbereich. Es wird normalerweise angegeben, dass die Empfindungsempfindlichkeitsschwankung im Betriebsfrequenzband ± 1,5 dB beträgt.