HYDRO-AKUSTICKÁ ANTÉNA- zariadenie zabezpečujúce priestorovo selektívny alebo zvukový príjem vo vodnom prostredí. Zvyčajne G. a. pozostáva z elektroakustické meniče(anténne prvky), akustické zásteny, nosná konštrukcia akustická. prestupné uzly, tlmiče nárazov a elektrické komunikačné vedenia. Podľa spôsobu tvorby priestorovej selektivity G. a. možno rozdeliť na interferenčné, zaostrovacie, klaksónové a parametrické.
Priestorová selektivita. G. a. v dôsledku akustického rušenia. vytvorený v určitom bode rozkladu vesmíru. úseky oscilačnej plochy antény (režim žiarenia) alebo elektrické rušenie. pri východoch anténne meniče, keď naň dopadá zvuková vlna (režim príjmu). Rušenie G. a. rozdelené na kontinuálne, normálne kolísanie komponentov. rýchlosť aktívneho povrchu k-rykh sa plynule mení z bodu do bodu (napríklad antény vyžarujúce cez spoločnú kovovú platňu) a diskrétne, na ktorých aktívnom povrchu sú diskontinuity vo funkcii popisujúcej rozdelenie normálnej zložky možno pozorovať oscilácie. rýchlosť. Diskrétne antény sa často nazývajú. anténne polia
Priestorová selektivita zaostrovania G. a. (cm. Zvukové zaostrenie) sa vytvára pomocou reflexných alebo lámavých hraníc alebo médií, ktoré vytvárajú zaostrenie zvukovej energie sprevádzané transformáciou čela vlny (napríklad z guľového na ploché).
Reflexné povrchy sa používajú aj v klaksónových anténach, avšak čelo vlny sa netransformuje a úloha odrazových hraníc je obmedzená na obmedzenie časti priestoru, v ktorom je zvuk vyžarovaný.
Aktívne povrchy parametrické. antény oscilujú na dvoch blízkych frekvenciách; priestorová selektivita vzniká ako výsledok rozdielovej frekvencie vznikajúcej pri nelineárnej interakcii primárne vyžarovaných vĺn (tzv. čerpacie vlny).
Hlavné parametre, ktoré určujú priestorovú selektivitu G. a., - smerová charakteristika a koeficient. koncentrácia (viď Orientácia akustické vysielače a prijímače). G. schopnosť a. premeniť energiu (zvyčajne z elektrickej na akustickú pri vyžarovaní a akustickú na elektrickú pri príjme) sa vyznačuje citlivosťou, vyžiareným výkonom a sp. vyžarovaný výkon.
Antény poskytujú nielen vytváranie priestorovej selektivity, ale umožňujú vám ju aj ovládať. V prípade väčšiny bežný typ GA - mriežky - takéto riadenie sa vykonáva zavedením amplitúdovo-fázového rozdelenia, to znamená vytvorením daného rozloženia amplitúd a fáz kmitov. rýchlosti aktívnych povrchov meničov v režime žiarenia. V režime príjmu je zavedenie amplitúdovo-fázového rozdelenia zabezpečené výberom komplexných koeficientov. prenos zariadení zahrnutých v každom anténnom kanáli medzi prijímačom a sčítačkou. Zavedením fázového rozdelenia je možné poskytnúť súčet akustických tlakov vyvinutých dep. G. prevodníky a. v akomkoľvek danom smere priestoru, a tým riadiť smer max. žiarenie (a v režime príjmu - smer maximálnej citlivosti). Antény, v ktorých kanáloch je zavedené špecifikované rozdelenie fáz, sa nazývajú. kompenzované.
Riadenie pozície Ch. maximálnu smerovosť v priestore je možné dosiahnuť nielen zmenou rozloženia fáz, ale aj mechanicky. obrat G. a. alebo zmenou polohy kompenzovaného pracovného úseku zakriveného povrchu (napríklad kruhového, valcového. G. a.). Rozdelenie amplitúdy umožňuje zmeniť tvar smerovej charakteristiky, čím sa získa požadovaný vzťah medzi dek. prvky smerovej charakteristiky, najmä medzi šírkou jej hlavnej. maximum a úroveň prídavných.
Pojem "anténa" sa často používa v širšom zmysle, pričom zahŕňa ako samotnú anténu, tak aj spôsob spracovania signálov z jej častí. prvkov. V tomto chápaní G. a. delí sa na aditívne, multiplikačné, samozastreľovacie, prispôsobovacie a pod. antény sú signály z prvkov do-rykh podrobené lineárnym operáciám (zosilnenie, filtrovanie, časový alebo fázový posun) a následne pridané do sčítačky. V multiplikatívnom G. a. signály v kanáloch prijímače sú podrobené nielen lineárnym, ale aj nelineárnym operáciám (násobenie, umocňovanie a pod.), čo pri malom rušení zvyšuje presnosť určenia polohy zdroja. Samozameranie tzv. antény, prijímacia cesta do-rykh produkuje automat. zavedenie rozvodov, ktoré poskytujú fázové sčítanie signálov na anténnej sčítačke, keď je zdroj zvuku umiestnený v ľubovoľnom bode v priestore. Prijímacia alebo vysielacia dráha adaptívnych antén vytvára automatické. zavedenie amplitúdovo-fázového rozdelenia, ktoré zabezpečuje maximalizáciu niektorého vopred určeného parametra (odolnosť voči šumu, rozlíšenie, presnosť hľadania smeru atď.).
Úroveň šumu sprevádzajúceho užitočný signál, účinnosť antény, maximálna hĺbka, ktorú možno prakticky zmerať za existujúcich plavebných podmienok, a niekedy aj samotná možnosť merania závisí od výberu umiestnenia antén echolotu.
Hlavnými zdrojmi hydroakustického rušenia ovplyvňujúceho antény sú lodné stroje a mechanizmy, vrtule, turbulentná hraničná vrstva, ako aj iné hydroakustické systémy, ktoré súčasne pracujú na lodi. Každý zo zdrojov rušenia vytvára šum určitého spektra, ktorý sa dostáva do antény, šíri sa priamo po trupe lode, vo vode po trupe lode, odráža sa od rozptýlených predmetov v morskom prostredí alebo od dna. Vzduchové bubliny rozptýlené vo vrstve vody obklopujúcej anténu majú zvláštny vplyv na činnosť antén. V praxi bolo opakovane pozorované, že keď sa loď pohybovala v balaste, keď v oblasti blízko dna prebiehala intenzívna tvorba bublín, echolot prestal merať aj relatívne malé hĺbky. S poklesom rýchlosti pohybu plavidla alebo jeho zastavenia sa činnosť echolotu obnovila. Tento jav možno vysvetliť tým, že vzduchové bubliny na jednej strane intenzívne rozptyľujú a pohlcujú energiu, na druhej strane menia fyzikálne vlastnosti média v priamom kontakte s anténami, čím znižujú jeho ekvivalentnú tuhosť, ktorá, zasa ovplyvňuje ladenie anténneho systému - prostredia, znižuje účinnosť premeny elektrického signálu na mechanický a naopak.
Aby sa znížil vplyv rušivých faktorov na činnosť echolotu, mali by byť antény inštalované na miestach, ktoré spĺňajú nasledujúce požiadavky:
zmena hydrodynamického tlaku v mieste inštalácie antény so zmenou rýchlosti lode by mala byť minimálna;
miesto inštalácie antény by malo byť umiestnené čo najďalej od strojovne, vrtúľ, náporových motorov, ako aj od miestností, v ktorých sa nachádzajú veľmi hlučné stroje a mechanizmy;
v oblasti, kde sú umiestnené antény (vo vzdialenosti do 3-5 m) by nemali byť zariadenia na prívod a odvod vody, pretože to môže spôsobiť prudké zväčšenie medzier alebo úplné vymiznutie nameraných hodnôt echolotu, najmä tie, ktoré pracujú pri nízkej frekvencii;
v bezprostrednej blízkosti antény, najmä v smere k prove lode, by sa nemali nachádzať žiadne vyčnievajúce konštrukcie lode a odpaľovacie zariadenia, ktoré by mohli rušiť činnosť echolotu;
na ceste vysielania a príjmu signálu, v rámci 60° od vertikály, by nemali byť žiadne časti, ktoré by mohli vytvárať odraz akustických vibrácií;
miesto inštalácie antény by malo byť čo najďalej od iných hydroakustických systémov dostupných na lodi;
Odporúča sa zabezpečiť pohodlný prístup k anténe na jej kontrolu, údržbu a výmenu.
Po určení možných miest inštalácie antén echolotu s prihliadnutím na vyššie uvedené požiadavky je potrebné na základe predbežného posúdenia hladiny hluku v uvažovanom umiestnení antén vybrať miesto s najnižšou úrovňou akustiky. hluk.
Pri výbere umiestnenia antény echolotu je potrebné vziať do úvahy smer otáčania lodnej vrtule. Takže pri použití pravej vrtule naráža ňou narušený prúd vody na ľavú stranu obrysov kormy. V dôsledku toho dochádza k vibráciám pokovovania, ktoré sa šíria najmä v ľavej časti dna nádoby. Táto vibrácia trupu lode spôsobuje dodatočný akustický hluk. V tomto ohľade sa pri pravotočivej vrtuli odporúča inštalovať anténu echolotu na pravoboku a pri ľavostrannej vrtuli na ľavoboku.
Výsledky meraní hladín hluku na rôznych miestach trupu naznačujú, že najnižšia hladina hluku je spravidla pozorovaná na prove plavidla. Preto sa odporúča inštalovať anténu echolotu čo najbližšie k prove plavidla (v oblasti kladného tlaku), berúc do úvahy neprípustnosť jej vystavenia počas rolovania. Odporúča sa nainštalovať anténu čo najbližšie k osi lode.
Účinok rušenia môžete znížiť inštaláciou špeciálnych obrazoviek.
Inštalácia ďalších zariadení súpravy echolotu sa vykonáva v súlade s požiadavkami technickej dokumentácie k produktu a s prihliadnutím na pohodlie práce so zariadením.
a ich špecifikácie
Účel hydroakustických antén
Hydroakustické antény určené na vysielanie alebo prijímanie hydroakustických signálov pomocou hydroakustické prevodníky a zabezpečiť priestorovú selektivitu.
Hydroakustické prevodníky
Hydroakustický menič je technické zariadenie, ktoré premieňa elektrické vibrácie na mechanické vibrácie, alebo naopak, mechanické vibrácie na elektrické vibrácie.
Existujú dve hlavné triedy hydroakustických meničov:
a) magnetostrikčné;
b) piezoelektrické.
Princíp činnosti magnetostrikčných meničov
Magnetostrikčné prevodníky využívajú fenomén magnetostrikcie. Fenomén magnetostrikcia spočíva v tom, že v niektorých feromagnetických materiáloch dochádza pod vplyvom magnetického poľa k deformácii, ktorá sa vyznačuje zmenou dĺžky vzorky, keď sa nachádza pozdĺž magnetických siločiar. Tento efekt sa nazýva priamy magnetostrikčný účinok.
Ak sa dĺžka tyče zväčšuje so zvyšujúcou sa intenzitou magnetického poľa, potom sa magnetostrikcia nazýva pozitívna a ak sa dĺžka tyče zmenšuje, potom sa magnetostrikcia nazýva negatívna.
Graf závislosti relatívneho predĺženia rôznych feromagnetických materiálov od intenzity magnetického poľa je na obr. päť.
Permalloy
kobalt
– nikel
Ryža. 5. Graf závislosti relatívnej deformácie od intenzity poľa
Charakter a stupeň deformácie závisí od materiálu vzorky, spôsobu jej spracovania, veľkosti predmagnetizácie a teploty. Z materiálov znázornených na obr. 5, permalloy má pozitívnu magnetostrikciu, nikel má negatívnu a kobalt má premenlivé magnetostrikčné znamienko v závislosti od intenzity magnetického poľa.
Deformácia akejkoľvek vzorky je obmedzená limitom tzv magnetostrikčná saturácia. Veľkosť saturačného napätia a intenzita magnetického poľa, pri ktorej dochádza k nasýteniu, závisí od materiálu. Napríklad magnetostrikčná saturácia niklu je oveľa väčšia ako saturácia kobaltu a saturácia niklom nastáva pri nižšej intenzite poľa ako saturácia kobaltom.
Tepelné spracovanie má veľký vplyv na vlastnosti magnetostrikčných materiálov. Žíhanie akéhokoľvek materiálu vedie k zvýšeniu veľkosti magnetostrikcie.
Keď teplota stúpa, magnetostrikčný účinok slabne, až úplne zmizne.
Z hľadiska molekulovej kinetiky sa jav magnetostrikcie vysvetľuje takto:
Kryštalografické osi malých homogénnych kryštálov feromagnetického materiálu majú náhodnú orientáciu v priestore. Jednotlivé kryštály sa však spájajú do tzv domén. Magnetické momenty každej domény majú určitú orientáciu. Napríklad v nikle sú magnetické momenty domén orientované v ôsmich smeroch - pozdĺž štyroch uhlopriečok kocky. Tieto smery sú tzv smery najľahšej magnetizácie. Ak vzorka nie je magnetizovaná, potom sú magnetické momenty domén náhodne orientované a celkový magnetický moment je nulový.
Vplyvom vonkajšieho magnetického poľa sa magnetické domény preorientujú. Sú orientované v tých smeroch, ktoré sa zhodujú so smerom vonkajšieho poľa. V tomto prípade dochádza k deformácii kryštálovej mriežky, čo vedie k zmene rozmerov vzorky.
Spolu s priamym magnetostrikčným účinkom existuje aj inverzný magnetostrikčný efekt, ktorej podstatou je zmena magnetického stavu vzorky pod vplyvom mechanického namáhania. Pri mechanickom pôsobení na feromagnetický materiál dochádza k deformácii kryštálovej mriežky, v dôsledku čoho sa mení orientácia magnetických momentov domén vzhľadom na vonkajšie magnetické pole.
Magnetostrikcia je rovnomerný účinok. To znamená, že pri zmene polarity magnetického poľa sa znamienko deformácie nemení. Ak teda cez solenoid, vo vnútri ktorého je tyč umiestnená, prechádza striedavý elektrický prúd, potom bude tyč vykonávať periodické oscilácie s frekvenciou rovnajúcou sa dvojnásobku frekvencie budiaceho elektromagnetického poľa. Tento efekt je možné eliminovať aplikáciou predbežnej magnetizácie prevodníka. V prevodníkoch vyhľadávacích hydroakustických prístrojov sa magnetizácia vykonáva inštaláciou permanentných magnetov alebo zavedením špeciálneho zdroja jednosmerného prúdu.
Charakteristika činnosti magnetostrikčného meniča bez predpätia je znázornená na obr. 6 a so zaujatosťou - na obr. 7.
-H+H
Ryža. 6. Popis práce
magnetostrikčný prevodník bez predpätia
Ryža. 7. Popis práce
magnetostrikčný prevodník s predpätím
Pre zvýšenie účinnosti meničov musí byť frekvencia vonkajšieho budenia rovná frekvencii vlastných kmitov. Frekvencia prirodzených elastických kmitov tyče závisí od jej dĺžky a materiálu, z ktorého je vyrobená.
Prirodzená frekvencia tyče je určená vzorcom:
kde n- harmonické číslo (zvyčajne n= 1);
l - dĺžka tyče, cm;
E- modul pružnosti materiálu, n/m 2 ;
ρ je hustota, kg/m 3 .
Návrhy magnetostrikčných meničov
Akýkoľvek magnetostrikčný prevodník je jadro vyrobené z magnetostrikčného materiálu, na ktorom je umiestnené vinutie ohybného medeného drôtu s vodotesnou izoláciou. Jadro je vyrobené z tenkých lisovaných dosiek. Po vyrazení sú platne žíhané. Oxidová vrstva vytvorená na povrchu platní počas žíhania je dobrým izolantom. Izolácia medzi doskami zabraňuje vzniku vírivých prúdov v jadre a tým znižuje energetické straty na ohrev jadra.
Vo vyhľadávacích prístrojoch sa najviac používajú tyčové magnetostrikčné prevodníky. Dosky, z ktorých sú tyčové prevodníky zostavené, majú obdĺžnikový tvar so štrbinami. Dosky sú zostavené do obalu, ktorý je uzavretým magnetickým obvodom, na tyčiach ktorého je uložené vinutie. Na inštaláciu permanentných magnetov, pomocou ktorých sa vykonáva konštantná magnetizácia meniča, sú v jadre vytvorené pozdĺžne drážky. Konštrukcia tyčového magnetostrikčného prevodníka je znázornená na obr. 8.
a ich špecifikácie
Účel hydroakustických antén
Hydroakustické antény určené na vysielanie alebo prijímanie hydroakustických signálov pomocou hydroakustické prevodníky a zabezpečiť priestorovú selektivitu.
Hydroakustické prevodníky
Hydroakustický menič je technické zariadenie, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ premieňa elektrické vibrácie na mechanické, alebo naopak, mechanické vibrácie na elektrické.
Existujú dve základné triedy hydroakustických meničov:
a) magnetostrikčné;
b) piezoelektrické.
Princíp činnosti magnetostrikčných meničov
Magnetostrikčné prevodníky využívajú fenomén magnetostrikcie. Fenomén magnetostrikcia v podstate spočíva v tom, že v niektorých feromagnetických materiáloch pod vplyvom magnetického poľa dochádza k deformácii, ktorá je charakterizovaná zmenou dĺžky vzorky, keď sa nachádza pozdĺž magnetických siločiar. Tento efekt sa nazýva priamy magnetostrikčný účinok.
Ak sa dĺžka tyče zväčšuje so zvyšujúcou sa intenzitou magnetického poľa, potom sa magnetostrikcia nazýva pozitívna a ak sa dĺžka tyče zmenšuje, potom sa magnetostrikcia nazýva negatívna.
Graf závislosti relatívneho predĺženia rôznych feromagnetických materiálov od intenzity magnetického poľa je na obr. päť.
Permalloy
kobalt
– nikel
Ryža. 5. Graf závislosti relatívnej deformácie od intenzity poľa
Charakter a stupeň deformácie závisí od materiálu vzorky, spôsobu jej spracovania, veľkosti predmagnetizácie a teploty. Z materiálov znázornených na obr. 5, permalloy má pozitívnu magnetostrikciu, nikel má negatívnu a kobalt má premenlivé magnetostrikčné znamienko v závislosti od intenzity magnetického poľa.
Deformácia akejkoľvek vzorky je obmedzená limitom, ktorý sa bežne nazýva magnetostrikčná saturácia. Veľkosť saturačného napätia a intenzita magnetického poľa, pri ktorej dochádza k nasýteniu, závisí od materiálu. Napríklad magnetostrikčná saturácia niklu je oveľa väčšia ako saturácia kobaltu a saturácia niklom nastáva pri nižšej intenzite poľa ako saturácia kobaltom.
Tepelné spracovanie má veľký vplyv na vlastnosti magnetostrikčných materiálov. Žíhanie akéhokoľvek materiálu vedie k zvýšeniu veľkosti magnetostrikcie.
Keď teplota stúpa, magnetostrikčný účinok slabne, až úplne zmizne.
Z hľadiska molekulovej kinetiky sa jav magnetostrikcie vysvetľuje takto:
Kryštalografické osi malých homogénnych kryštálov feromagnetického materiálu majú náhodnú orientáciu v priestore. V tomto prípade sa jednotlivé kryštály spájajú do tzv domén. Magnetické momenty každej domény majú určitú orientáciu. Napríklad v nikle sú magnetické momenty domén orientované v ôsmich smeroch - pozdĺž štyroch uhlopriečok kocky. Tieto smery sú tzv smery najľahšej magnetizácie. Ak vzorka nie je magnetizovaná, potom sú magnetické momenty domén náhodne orientované a celkový magnetický moment je nulový.
Vplyvom vonkajšieho magnetického poľa sa magnetické domény preorientujú. Οʜᴎ sú orientované v tých smeroch, ktoré sa zhodujú so smerom vonkajšieho poľa. V tomto prípade dochádza k deformácii kryštálovej mriežky, čo vedie k zmene rozmerov vzorky.
Spolu s priamym magnetostrikčným účinkom existuje aj inverzný magnetostrikčný efekt, ktorej podstatou je zmena magnetického stavu vzorky pod vplyvom mechanického namáhania. Pri mechanickom pôsobení na feromagnetický materiál dochádza k deformácii kryštálovej mriežky, v dôsledku čoho sa mení orientácia magnetických momentov domén vzhľadom na vonkajšie magnetické pole.
Magnetostrikcia je rovnomerný účinok. To znamená, že pri zmene polarity magnetického poľa sa znamienko deformácie nemení. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ak cez solenoid, v ktorom je tyč umiestnená, prechádza striedavý elektrický prúd, potom bude tyč vykonávať periodické oscilácie s frekvenciou rovnajúcou sa dvojnásobku frekvencie vzrušujúceho elektromagnetického poľa. Tento efekt možno eliminovať, ak sa použije predmagnetizácia prevodníka. V prevodníkoch vyhľadávacích hydroakustických prístrojov sa magnetizácia vykonáva inštaláciou permanentných magnetov alebo zavedením špeciálneho zdroja jednosmerného prúdu.
Charakteristika činnosti magnetostrikčného meniča bez predpätia je znázornená na obr. 6 a so zaujatosťou - na obr. 7.
-H+H
Ryža. 6. Popis práce
magnetostrikčný prevodník bez predpätia
Ryža. 7. Popis práce
magnetostrikčný prevodník s predpätím
Pre zvýšenie účinnosti meničov musí byť frekvencia vonkajšieho budenia rovná frekvencii jeho vlastných kmitov. Frekvencia prirodzených elastických kmitov tyče závisí od jej dĺžky a materiálu, z ktorého je vyrobená.
Prirodzená frekvencia tyče je určená vzorcom:
kde n- harmonické číslo (zvyčajne n= 1);
l - dĺžka tyče, cm;
E- modul pružnosti materiálu, n/m 2 ;
ρ je hustota, kg/m 3 .
Návrhy magnetostrikčných meničov
Akýkoľvek magnetostrikčný prevodník je jadro vyrobené z magnetostrikčného materiálu, na ktorom je umiestnené vinutie ohybného medeného drôtu s vodotesnou izoláciou. Jadro je vyrobené z tenkých lisovaných dosiek. Po vyrazení sú platne žíhané. Oxidová vrstva vytvorená na povrchu platní počas žíhania je dobrým izolantom. Izolácia medzi doskami zabraňuje vzniku vírivých prúdov v jadre a tým znižuje energetické straty na ohrev jadra.
Vo vyhľadávacích prístrojoch sa najviac používajú tyčové magnetostrikčné prevodníky. Dosky, z ktorých sú tyčové prevodníky zostavené, majú obdĺžnikový tvar so štrbinami. Dosky sú zostavené do obalu, ktorý je uzavretým magnetickým obvodom, na tyčiach ktorého je uložené vinutie. Na inštaláciu permanentných magnetov, pomocou ktorých sa vykonáva konštantná magnetizácia meniča, sú v jadre vytvorené pozdĺžne drážky. Konštrukcia tyčového magnetostrikčného prevodníka je znázornená na obr. 8.
 |
Ryža. 8. Tyčinkový magnetostrikčný prevodník
Vyžarovanie a príjem akustických vibrácií sa uskutočňuje koncovými plochami obalu. Na jeden z koncových povrchov je zvyčajne prilepená porézna gumená sieťka. V tomto prípade sa vyžarovanie a príjem akustických vibrácií uskutočňuje druhým koncovým povrchom, ktorý je v kontakte s vodou. Na oddelenie oscilačného systému od telesa antény sú medzi obal a puzdro vložené gumené manžety. Teleso antény je hermeticky uzavreté vekom, cez ktoré sú pomocou vývodiek vyvedené drôty vinutia.
Niekedy sa v hydroakustických nástrojoch používajú valcové magnetostrikčné prevodníky s toroidným vinutím. Balenie valcového meniča je tiež zostavené z tenkých žíhaných prstencov s otvormi. Navíjací drôt prechádza cez otvory a vnútornú dutinu obalu. Striedavý prúd vo vinutí vytvára magnetické pole, ktorého siločiary sú umiestnené v kruhu sústredenom na os prstenca. V dôsledku toho sa v prstenci objavujú sily, smerujúce pozdĺž dotyčníc k siločiaram a spôsobujúce radiálne oscilácie prstenca. Za účelom nasmerovania vibrácií v danom smere je obal inštalovaný v strede reflektora, ktorý má tvar kužeľa s uhlom otvorenia 45º.
Zariadenie prstencového magnetostrikčného prevodníka a spôsob jeho inštalácie sú znázornené na obr. deväť.
 |
Ryža. 9. Prstencový magnetostrikčný menič s reflektorom
Špecifikácie pre magnetostrikčné prevodníky
Magnetostrikčné prevodníky sú široko používané v hydroakustických zariadeniach na vyhľadávanie rýb kvôli ich jednoduchosti a spoľahlivosti. Tieto prevodníky majú vysokú mechanickú pevnosť a nekorodujú v morskej vode. Pri výrobe meničov je potrebná izolácia vinutí ľahko zabezpečená, pretože ich prevádzka nevyžaduje použitie vysokého napätia.
Nevýhody magnetostrikčných prevodníkov zahŕňajú:
a) nemožnosť použitia vysokých prevádzkových frekvencií: horná hranica vyžarovaných frekvencií je obmedzená na 60 kHz;
b) relatívne nízka účinnosť (20 % - 30 %);
c) nízka citlivosť v režime príjmu;
d) závislosť vlastnej frekvencie od teploty.
Princíp činnosti piezoelektrických meničov
Činnosť piezoelektrických meničov je založená na využití priameho a inverzného piezoelektrického javu.
priamy piezoelektrický efekt v podstate spočíva v tom, že pôsobením mechanických síl pôsobiacich na kryštály určitých látok vznikajú na povrchu týchto kryštálov elektrické náboje, ktorých veľkosť je úmerná stupňu deformácie.
Ak je kryštál umiestnený medzi dve elektródy pripojené k zdroju striedavého napätia, dôjde k deformácii, ktorej veľkosť a znamienko závisí od intenzity elektrického poľa a jeho polarity. Vzhľad mechanickej deformácie pri pôsobení elektrického poľa sa bežne nazýva reverzný piezoelektrický efekt.
Piezoelektrický efekt majú mnohé látky, tie, ktoré existujú v prírode, aj tie, ktoré sa získavajú umelo. Z prírodných materiálov majú najvýraznejší piezoelektrický efekt kryštály kremeňa ( SiO 2).
Na výrobu antén pre hydroakustické zariadenia, titaničitan bárnatý ( BaTio 3). Tento materiál je piezokeramika získaná vypaľovaním zmesi práškov oxidu titaničitého a uhličitanu bárnatého pri teplote 1400º.
Potom sa vzorky vyleštia a nanesú sa na ne elektródy vypálením striebra do pracovných plôch keramiky. Potom sa keramika polarizuje.
V nepolarizovanej keramike majú jednotlivé náhodne usporiadané kryštály oblasti (domény) s rôznymi smermi elektrických momentov. Vplyvom silného elektrického poľa (o sile 15–20 kV/cm2) sa preorientujú elektrické momenty jednotlivých kryštalitových domén a vzniká výsledná polarizácia vzorky. Táto polarizácia pretrváva aj po odstránení vonkajšieho elektrického poľa.
Okrem titaničitanu bárnatého, zirkoničitanu a titaničitanu olovnatého, ako aj syntetické kryštály Rochellovej soli ( NaKC 4 H 4 O 6 4 H 2 O) a dihydrogenfosforečnan amónny ( NH 4 H 2 PO 4).
Tvar prírodného kryštálu kremeňa je znázornený na obr. 10. Os z–z prechádzajúc cez vrcholy kryštálu, je zvykom nazývať to optická os.
z z
Ryža. 10. Kryštál kremeňa
Okrem optickej osi majú kryštály elektrické a mechanické nápravy.
Ak je oktaedrická platňa vyrezaná z kryštálu kremeňa kolmo na jeho optickú os, potom os x–x, kolmo na os cez z–z a prechod cez vzájomne protiľahlé zvislé okraje kryštálu, je zvykom volať elektrická os. Os y–y kolmo na os z–z a dve protiľahlé bočné strany kryštálu, je zvykom nazývať mechanická os. Takto získaná osemuholníková platňa má tri elektrické a tri mechanické osi.
Ak sa teraz zo získanej oktaedrickej platne vyreže obdĺžniková platňa tak, že jej strany sú kolmé na tri uvedené osi a najväčšia strana je kolmá na os x–x, potom bude mať takáto platňa piezoelektrický efekt. Táto platňa sa nazýva platňa X-strih alebo Curie cut.
Pri pôsobení mechanickej sily F x , na plochách kolmých na os x–x, vzniká priamy pozdĺžny piezoelektrický efekt (smer tlaku sa zhoduje s elektrickou osou). V tomto prípade sa medzi týmito plochami objaví napätie:
kde l, b, h dĺžka, šírka a hrúbka dosky;
ε je permitivita materiálu;
d x je koeficient proporcionality, ktorý sa bežne nazýva
piezoelektrický modul.
Ak pôsobí mechanická sila F y na plochy kolmé na os y–y, potom vzniká priamy priečny piezoelektrický jav (smer vonkajšej sily je kolmý na os x–x). V tomto prípade sa objaví napätie opačnej polarity:
U = -;
Ak chcete získať reverzný piezoelektrický efekt, rovnaká doska X-plátok je mimoriadne dôležité umiestniť do elektrického poľa tak, aby os x– x sa zhodoval so smerom siločiar. V tomto prípade je doska deformovaná v smere osi x– x a v smere osi y–y. Pod vplyvom spätného pozdĺžneho piezoelektrického efektu sa hrúbka dosky h zvýši sa o:
Δ h = d x· U;
Zároveň sa pod vplyvom spätného priečneho piezoelektrického efektu dĺžka dosky l sa zníži o:
Δ l = – d xU.
V každom prípade sa frekvencia mechanických vibrácií rovná frekvencii elektrických vibrácií.
Plocha svetových oceánov je asi 71% povrchu Zeme. Väčšina z toho ešte nebola preštudovaná.
Potreba skúmať svetové oceány tvárou v tvár neustále rastúcej ľudskej potrebe lacného paliva a potrebe kontrolovať civilnú plavbu viedla k vzniku hydroakustických senzorových systémov schopných skúmať uhľovodíky na morskom šelfe a identifikovať a lokalizovať civilné lode vo vode. oblasti.
Dnes sú na takéto systémy kladené vysoké požiadavky s cieľom poskytnúť optimálne parametre a použitie optických vlnovodov ako vysielacích a citlivých prvkov môže výrazne zvýšiť efektivitu takýchto systémov a znížiť náklady na štúdium oceánov a monitorovanie vodných plôch.
Hlavnými faktormi nahradenia tradičných hydroakustických snímačov piezoelektrickými prevodníkmi sú nižšie náklady, vysoká spoľahlivosť, menšie parametre hmotnosti a veľkosti, jednoduchosť výroby distribuovaného snímača a vysoká citlivosť v oblasti nízkych frekvencií a absencia elektromagnetického rušenia na citlivej časti vlákna. .
Prieskum sa vykonáva pomocou aktívneho sonaru. Lodný zdroj vyžaruje širokopásmové akustické žiarenie. Oblasti morského dna s rôznymi hustotami, ako sú ropné a plynové polia a normálna pôda, budú odrážať akustické žiarenie s rôznymi spektrálnymi zložkami. Vonkajšia optická anténa registruje tieto signály. Palubné zariadenie spracováva dáta prijaté z antény a na základe časového oneskorenia užitočného signálu udáva smer k požadovanému objektu.
Princíp činnosti akusticko-optického kábla, ktorého citlivým prvkom je optické vlákno, je založený na účinku zmeny indexu lomu vlákna, a tým aj fázy optického žiarenia pri pôsobení akustického poľa. Výpočtom fázovej zmeny možno získať informácie o akustickom vplyve.
Existuje veľa optických obvodov a prevedení citlivých prvkov, ale všetky umožňujú multiplexovať veľké množstvo snímačov na jedno vlákno, umiestnením viacerých vlákien do akusticko-optického kábla možno zvýšiť počet snímačov v anténe miernym zväčšením hrúbky akusticko-optického kábla. Tento spôsob multiplexovania veľkého počtu snímačov je v súčasnosti možné zabezpečiť len použitím optických vlákien.
Práce na predmete tohto projektu sa začali v roku 2011 spolu s Ústredným výskumným ústavom „Koncern Elektropribor.“ V rokoch 2011 – 2013 prebehli prípravné práce, spracovali sa základné koncepcie tvorby akusticko-optických káblov, rôzne spôsoby spracovania signálov. V rokoch 2014 – 2016 sme realizovali niekoľko riešení pasívnych akusticko-optických káblov a jednotiek elektronického spracovania signálu.
Na určenie dynamického rozsahu, citlivosti, spodnej hranice šumu a ďalších parametrov bola vykonaná séria testov na každej anténe. Testy zahŕňali štúdie antény v anechoickej komore (akustooptický kábel je umiestnený na statívoch okolo zdroja akustického poľa) a vo voľnej vode (akustooptický kábel je navinutý na zvukovo transparentnom skúšobnom koši, v r. v strede ktorého je umiestnený sférický zdroj akustického poľa). Nižšie sú fotografie z testov.
Vytvorenie a štúdium rozšírených hydroakustických optických antén je v Rusku mladým vedným odborom, ktorý otvára veľké perspektívy v oblasti hydroakustických meraní.
