Пьезоэлектрические гидролокационные технологии и системы подводного обнаружения

Пьезоэлектрические гидролокационные технологии и системы подводного обнаружения

Применение гидролокаторов

Основные области применения:

• Подводная акустическая визуализация
• Эхолоты
• Гидролокаторы для подводных систем обнаружения

1. Что такое гидролокатор?

Гидролокатор (сонар), также называемый «Звуковая навигация и дальнометрия» (Sound Navigation And Ranging), представляет собой электронное устройство, которое использует характеристики распространения звуковых волн под водой, через электроакустическое преобразование и обработку информации, для выполнения задач подводного обнаружения и связи.

Для наблюдения и измерений в воде только звуковые волны обладают уникальными условиями. Это связано с тем, что диапазон действия других методов обнаружения очень короткий, а проникающая способность света в воде очень ограничена. Даже в самой чистой морской воде люди могут видеть объекты только в пределах от десятка до десятков метров; электромагнитные волны также в воде слишком быстро затухают, и чем короче длина волны, тем больше потери. Даже при использовании мощных низкочастотных электромагнитных волн они могут распространяться только на десятки метров. Однако затухание звуковых волн, распространяющихся в воде, намного меньше. Когда бомба весом в несколько килограммов взрывается в глубоководном звуковом канале, сигналы могут быть приняты на расстоянии 20 000 километров, а низкочастотные звуковые волны могут проникать через несколько километров морского дна и получать информацию в слое.

Гидролокатор не является патентным изобретением человека, многие животные имеют свой собственный «гидролокатор». Летучие мыши используют гортань для излучения ультразвуковых импульсов 10-20 раз в секунду и используют уши для приема их эха. С помощью этого «активного гидролокатора» они могут обнаруживать очень мелких насекомых и препятствия из металлической проволоки толщиной 0,1 мм. Насекомые, такие как ночные мотыльки, имеют «пассивный гидролокатор», который может четко слышать ультразвук летучих мышей на расстоянии 40 м, поэтому они часто могут избегать атак. Однако некоторые летучие мыши могут использовать высокочастотный ультразвук или низкочастотный ультразвук за пределами слышимого диапазона насекомых, так что процент попадания при ловле насекомых остается очень высоким.

В прошлом подводный акустический излучающий преобразователь гидролокатора в основном изготавливался из пьезокерамического материала (PZT). Подводный акустический преобразователь, изготовленный из этого материала, имеет высокую частоту (выше 20 кГц), а одновременно обладает малой мощностью излучения, большим объемом и очень тяжелым весом. Кроме того, с развитием технологии морской стелс-технологии современные военные корабли могут поглощать звуковые волны с частотами выше 3,0 кГц и играть роль stealth. Все индустриальные страны активно развивают низкочастотные (частоты от десятков до 2000 Гц), мощные (уровень звукового источника около 220 дБ) гидролокаторы или подводные акустические преобразователи для подводных акустических контрмер и уже используют их для оснащения военно-морского флота.

2. Пьезокерамика для применения в подводном изображении

Пьезокерамика используется в преобразователях для подводных систем изображения. Их цель — измерять и описывать цели в воде и на дне. Они также используются для идентификации особенностей на дне океанов, озер, рек и т.д. Подводное изображение использует гидролокаторы, направленные на дно, и другие принципы изображения. Они обеспечивают точные 2D или 3D изображения с детальной информацией об обследуемой области.

2.1 Как это работает?

Все системы на основе гидролокатора полагаются на гидролокационные преобразователи для генерации звуковой волны или импульсов звука. Системы гидролокатора могут быть разделены на три категории в зависимости от сложности гидролокатора. Сложность гидролокатора определяет, сколько информации вы можете извлечь из гидролокатора. Подводное изображение является наиболее сложным типом гидролокатора, где возвращающиеся эхосигналы звуковых волн отображаются в детальных 2D или 3D картах.

2.2 Какие пьезоматериалы можно использовать для подводного изображения?

Устройства для подводного изображения обычно оснащаются пьезокомпонентами из мягких пьезоэлектрических материалов (PZT-5A, PZT-5H). Они имеют различные формы и размеры в зависимости от применения. HE-SHUAI может поставлять отдельные элементы из пьезоэлектрических блоков размером до 100×100 мм, которые впоследствии могут быть нарезаны на матрицу элементов с uniform свойствами.

3. Пьезокерамика для применения в эхолотах

Эхолоты обычно конструируются с пьезокомпонентами различных форм и размеров в зависимости от применения. Материалы для простых гидролокаторов могут быть твердым типом пьезокерамики (PZT-4, PZT-8). Они обеспечивают высокую плотность мощности и высокую чувствительность. Однако для умных гидролокаторов, работающих с высоким разрешением, соответственно с синтезом апертуры, лучше использовать мягкие пьезоэлектрические материалы (PZT-5A, PZT-5H). Мягкий материал имеет низкую механическую добротность Q и обеспечивает более высокое разрешение. Многослойная пьезокерамика может эффективно использоваться в качестве отдельного передатчика волн. Это снижает необходимость высоковольтного управления. По сравнению с обычными монолитными пьезокерамическими элементами, рабочее напряжение может быть снижено путем увеличения количества слоев в случае многослойного элемента.

4. Гидролокаторы для подводной системы обнаружения

Гидролокатор (звуковая навигация и дальнометрия) — это техника, которая использует распространение звука (обычно под водой, как в навигации подводных лодок) для навигации, измерения расстояний (дальнометрия), коммуникации с объектами или их обнаружения на поверхности воды или под ней, таких как другие суда. Два типа технологий разделяют название «гидролокатор»: пассивный гидролокатор по существу прослушивает звук, производимый судами; активный гидролокатор излучает импульсы звуков и прослушивает эхо. Гидролокатор может использоваться как средство акустического местоположения и измерения характеристик эха «целей» в воде. Акустическое местоположение в воздухе использовалось до внедрения радара. Гидролокатор также может использоваться для навигации роботов, а SODAR (гидролокатор, смотрящий вверх в воздухе) используется для атмосферных исследования. Термин гидролокатор также используется для оборудования, используемого для генерации и приема звука. Акустические частоты, используемые в гидролокационных системах, варьируются от очень низких (инфразвуковых) до чрезвычайно высоких (ультразвуковых). Изучение подводного звука известно как подводная акустика или гидроакустика.

Первое зарегистрированное использование этой техники было Леонардо да Винчи в 1490 году, который использовал трубку, вставленную в воду, для обнаружения судов на слух. Она была разработана во время Первой мировой войны для противодействия растущей угрозе подводной войны, с operational пассивной гидролокационной системой, используемой к 1918 году. Современные активные гидролокационные системы используют акустический преобразователь для генерации звуковой волны, которая отражается от целевых объектов.

4.1 Какой пьезоматериал мы можем рекомендовать вам?

Преобразователи для подводных устройств связи обычно оснащаются пьезокомпонентами различных форм, изготовленными из мягких пьезоэлектрических материалов (PZT-5A, PZT-5H). Однако для мощных применений также следует рассматривать электрически твердые материалы (PZT-45, PZT-44, PZT-47). Размеры зависят от применения.