第2章 水声换能器
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水声换能器基础知识地球表面积的71%是海洋,海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源,是人类今后生存和发展的第二个空间。
而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手,更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。
声纳设备的功能,就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听;或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播,遇到目标后反射回来再进行接收,转变为电信号供收听或观察,由此来判断被测物体的方位和距离。
在这个水下电声信号的转换过程中,关键设备就是水声换能器或是换能器阵。
1. 水声换能器的应用目前,水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。
这里仅介绍几种在水下探测方面的应用:(1)在测深方面的应用:为保证航行安全,无论是军舰或是民船都要安装测深声纳;专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。
根据测深深度的不同,测深换能器的频率和功率也相差甚远。
以频率范围在10kHz~200kHz的较多,功率从数瓦到数十千瓦不等,其中,高频小功率用于内河或浅海,低频大功率用于远洋、大深度。
对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。
(2)在定位和测距方面的应用:测量航船对地的航行速度,大多采用多普勒声纳,利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。
一般工作频率在100kHz~500kHz。
(3)在海洋考察和海底地层勘探方面的应用:海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。
拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵,作用距离也最远。
水中成像方面,通常采用高频旁视声纳,在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵,各自向海底发射扇形指向性声束,然后接收来自海底的反射波,由于海底凹凸不平反射波强度有别,在显示图像上就会出现亮度不同的图像,因为工作频率较高,声信号衰减较快,作用距离不远,现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。
2. 水声换能器的分类换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。