Application of Piezoelectric Ceramics in echo sounders

Применение пьезокерамики в гидролокаторах и эхолотах

1. Принцип работы и основы гидролокации

Гидролокация (сонар) основана на фундаментальном физическом принципе: ультразвуковые волны распространяются по прямой линии с постоянной скоростью в однородной среде и отражаются на границе раздела сред с различными акустическими импедансами.

1.1. Метод измерения глубины

Для измерения глубины используется ультразвуковая волна с частотой около 1500 Гц, обладающая оптимальной способностью к проникновению в водную среду. Волна излучается вертикально в направлении дна. Фиксируется временной интервал между моментом излучения и моментом приёма отражённого сигнала. Глубина рассчитывается по формуле, учитывающей скорость распространения звука в воде.

1.2. Области применения гидролокаторов

Помимо измерения глубины, гидролокаторы (сонары) применяются для обнаружения и картирования подводных объектов:

• Навигационные опасности (скалы, отмели)
• Затонувшие суда и объекты
• Косяки рыбы и другие биологические объекты
• Исследование рельефа морского дна
• Военно-морские применения (обнаружение подводных лодок)
• Поисково-спасательные операции

Гидролокаторы являются критически важным оборудованием для надводных и подводных судов, а также для научных исследований в области океанографии и гидрографии.

2. Классификация и принцип действия гидролокационных систем

2.1. Типы гидролокаторов

• Однолучевые эхолоты: Формируют один узкий луч, идеальны для точечных измерений глубины.
• Многолучевые гидролокаторы: Формируют веер лучей, позволяя получать широкую полосу данных о рельефе дна за один проход, что значительно ускоряет картографирование.
• Боковые гидролокаторы: Используются для детального обследования больших площадей морского дна.

2.2. Физический принцип работы

Основной принцип работы гидролокатора заключается в следующем: пьезоэлектрический преобразователь излучает короткий акустический импульс. Отразившись от цели (дна или объекта), эхо возвращается к преобразователю. Расстояние до цели рассчитывается по формуле: S = (c × t) / 2, где c — скорость звука в воде, а t — измеренное время задержки между излучением и приёмом сигнала.

3. Пьезоэлектрические элементы в гидролокаторах

Пьезоэлектрические преобразователи являются сердцем любой гидролокационной системы, определяя её ключевые характеристики — чувствительность, разрешающую способность и дальность действия.

3.1. Преимущества пьезокерамики для гидролокации

• Высокочастотная характеристика: Способность эффективно генерировать и принимать ультразвуковые колебания.
• Высокая чувствительность: Возможность детектирования слабых отражённых сигналов.
• Компактность и надежность: Малый размер и механическая прочность.
• Экономическая эффективность: Относительно низкая стоимость производства.
• Устойчивость к высокому давлению: Возможность работы на больших глубинах.

3.2. Критерии выбора материалов для гидролокаторов

Выбор пьезоэлектрического материала для гидролокатора является компромиссом между требуемыми эксплуатационными характеристиками и мощностью.

• Мягкие пьезокерамические материалы (PZT-51, PZT-53): Обладают высоким пьезоэлектрическим коэффициент (высокая чувствительность), что делает их идеальным выбором для приемных преобразователей и приёмных трактов гидролокаторов.
• Жёсткие пьезокерамические материалы (PZT-8, PZT-41): Характеризуются низкими диэлектрическими потерями и высокой стабильностью параметров, что критически важно для мощных передающих преобразователей гидролокаторов, работающих в интенсивном режиме.

3.3. Конструктивные особенности преобразователей для гидролокации

Конструкция преобразователя для гидролокатора варьируется в зависимости от применения и требуемой частоты. Для снижения рабочего напряжения мощных передатчиков и увеличения их эффективности широко применяются многослойные пьезоэлектрические элементы, собранные из нескольких керамических пластин. Особое внимание уделяется герметизации и защите от воздействия солёной воды и высокого давления.

4. Заключение

Современные гидролокационные системы (сонары) представляют собой высокотехнологичное оборудование, эффективность которого напрямую зависит от качества пьезоэлектрических преобразователей. Правильный выбор пьезокерамического материала — основа создания надежных и высокопроизводительных гидролокаторов для различных применений.

HE-SHUAI производит высококачественные пьезоэлектрические элементы для гидролокаторов и эхолотов. Мы предлагаем широкий выбор материалов PZT различных марок и готовы разработать преобразователи по вашим техническим требованиям. Обращайтесь для консультации и подбора компонентов для ваших гидролокационных систем.