Last Updated on 17 июня, 2025 by You Ling
Пьезоэлектрические гидролокационные технологии и системы подводного обнаружения
Основные области применения:
-
Подводная визуализация
-
Рыбопоисковые системы (эхолоты)
-
Гидролокаторы для подводного обнаружения
1. Что такое гидролокатор (сонар)?
Гидролокатор — это электронное устройство, использующее особенности распространения звуковых волн в воде. Благодаря электроакустическому преобразованию и обработке сигналов, оно выполняет задачи подводного обнаружения и связи.
В водной среде только звуковые волны обладают уникальными свойствами для наблюдения и измерений. Другие методы имеют серьёзные ограничения:
-
Свет проникает в воду лишь на десятки метров даже в самой прозрачной воде.
-
Электромагнитные волны быстро затухают — даже низкочастотные сигналы распространяются не дальше нескольких десятков метров.
В отличие от них, звуковые волны в воде затухают значительно слабее. Например, взрыв нескольких килограммов взрывчатки в глубоководном канале может быть зафиксирован на расстоянии 20 000 км, а низкочастотные звуковые волны способны проникать через километры морского дна, передавая данные о структуре пород.
На сегодня не существует более эффективного средства для подводных измерений, чем акустические технологии.
Гидролокаторы в природе
Гидролокация — не изобретение человека. Многие животные используют естественные «гидролокаторы»:
-
Летучие мыши испускают ультразвуковые импульсы (10–20 раз в секунду) и улавливают их отражение, обнаруживая даже 0,1-миллиметровые препятствия.
-
Ночные мотыльки обладают «пассивным гидролокатором», распознающим ультразвук мышей на расстоянии 40 м, что помогает им избегать атак.
-
Некоторые виды летучих мышей используют сверхвысокие или сверхнизкие частоты, недоступные для слуха насекомых, повышая точность охоты.
Эволюция гидролокационных технологий
Ранние акустические излучатели для гидролокаторов изготавливались из пьезокерамики (PZT, ЦТС). Однако такие преобразователи имели недостатки:
-
Высокая рабочая частота (свыше 20 кГц)
-
Ограниченная мощность сигнала
-
Большие габариты и вес
С развитием стелс-технологий современные корабли научились поглощать звуковые волны выше 3 кГц, становясь «невидимыми» для традиционных локаторов.
Сегодня ведущие страны активно разрабатывают низкочастотные (диапазон частот от десятков до 2000 Гц) и мощные (уровень звука ~220 дБ) гидролокаторы, а также подводные акустические системы противодействия. Такие решения уже поступают на вооружение ВМФ.
2. Пьезоэлектрическая керамика для подводной визуализации
Пьезокерамика используется в преобразователях для подводных систем визуализации. Ее назначение — измерение и описание объектов в воде и на дне. Она также применяется для идентификации особенностей дна океанов, озёр, рек и других водоемов.
Подводная визуализация использует гидролокаторы (сонары), направленные на дно, а также другие методы получения изображений. Эти системы обеспечивают точные 2D- или 3D-изображения с детальной информацией об исследуемой области.
2.1 Как это работает?
Все гидролокационные системы работают за счет пьезоэлектрических преобразователей, генерирующих звуковые волны или импульсы. Гидролокаторы можно разделить на три категории в зависимости от их сложности, которая определяет объем информации, получаемой из сигнала. Подводная визуализация — наиболее сложный тип гидролокации, при котором отраженные звуковые волны преобразуются в детализированные 2D- или 3D-карты.2.2 Какие пьезоматериалы используются для подводной визуализации?
Устройства для подводной визуализации обычно оснащаются пьезокомпонентами из мягких пьезоэлектрических материалов (PZT-5A, PZT-5H). Они могут иметь различные формы и размеры в зависимости от применения. Компания Noliac производит монолитные пьезокерамические блоки размером до 100×100 мм, которые впоследствии могут быть разрезаны на матрицы элементов с однородными свойствами.3. Пьезокерамика для эхолотов
Эхолоты обычно оснащаются пьезокомпонентами различных форм и размеров в зависимости от области применения. Для простых гидролокаторов могут использоваться твердые типы пьезокерамики (PZT-4, PZT-8), которые обеспечивают высокую мощность и чувствительность. Однако для интеллектуальных гидролокатор с высоким разрешением, в частности с синтезированной апертурой, предпочтительнее применять мягкие пьезоэлектрические материалы (PZT-5A, PZT-5H). Мягкие материалы обладают низкой механической добротностью (Q) и обеспечивают более высокое разрешение.
Многослойная пьезокерамика может эффективно использоваться в качестве отдельного излучателя волн, что снижает необходимость в высоком напряжении управления. По сравнению с обычными однослойными пьезоэлементами, рабочее напряжение можно уменьшить за счет увеличения количества слоев в многослойной структуре.
4. Гидролокаторы для подводных систем обнаружения
Гидролокация — это метод обнаружения, навигации и связи под водой, основанный на излучении и приёме звуковых волн с целью определения местоположения, расстояния до объектов или их характеристик.
Существует два типа гидролокаторов:
-
Пассивный гидролокатор — прослушивание звуков, издаваемых судами.
-
Активный гидролокатор — излучение звуковых импульсов и анализ отраженных сигналов.
Гидролокаторы применяются для акустического позиционирования и измерения характеристик целей в воде. Акустические методы использовались в воздухе до появления радаров. Гидролокаторы также применяются в навигации роботов, а содар (атмосферный гидролокатор) — для исследования атмосферы.
Термин "гидролокатор" также относится к оборудованию, генерирующему и принимающему звуковые сигналы. Частотный диапазон гидролокаторов варьируется от инфразвуковых до ультразвуковых частот. Изучение подводного звука известно как гидроакустика.
Первое зарегистрированное применение этой технологии принадлежит Леонардо да Винчи (1490 г.), который использовал трубку, погруженную в воду, для обнаружения судов на слух. Активное развитие гидролокации началось во время Первой мировой войны для противодействия подводным лодкам, а к 1918 году уже использовались первые пассивные системы. Современные активные гидролокаторы используют акустические преобразователи для генерации звуковых волн, отражающихся от целей.
