Пьезоэлектрические преобразователи в гидроакустических системах

Пьезоэлектрический преобразователь — ключевой элемент гидроакустической системы (сонара). Он отвечает за передачу и приём сигналов. Для повышения эффективности преобразователи объединяют в массивы. Узнаем, как работает сонар и почему пьезокерамика лежит в его основе.

1. Что такое гидролокатор (Сонар)?

Сонар (Sound Navigation And Ranging) — технология, использующая распространение и отражение звуковых волн в воде для навигации и измерения расстояний.

Бывает двух основных типов:

• Активный — излучает и принимает сигналы.
• Пассивный — только принимает сигналы.

Применяется в:

• Эхолотах и профилографах.
• Навигационных системах.
• Военных целях для обнаружения и отслеживания подводных целей.

2. Что такое пьезоэлектрический преобразователь?

Это устройство, преобразующее электрическую энергию в акустическую (и наоборот) благодаря прямому и обратному пьезоэффекту. Обладает высоким КПД, мощностью и может быть адаптировано под конкретные задачи.

3. Преобразователь Ланжевена

Одна из первых успешных конструкций для гидролокации. Состоит из пьезокерамического диска, зажатого между двумя стальными блоками. Резонансная частота классической модели — 50 кГц. Звук излучается в воду через специальный резиновый кожух.

3.1. Принцип работы преобразователя Ланжевена

Для работы на высокой мощности керамику предварительно сжимают винтом, чтобы избежать растрескивания. Передний металлический блок (из лёгкого металла) служит для согласования с водой, а задний (из тяжёлого) — для минимизации заднего излучения. Это создаёт однонаправленное излучение.

4. Что такое эхолот?

Эхолот — устройство, использующее ультразвук для измерения глубины и обнаружения объектов под водой. Звуковая волна отражается от дна или объекта, и по времени возвращения сигнала вычисляется расстояние.

Бывают:

• Однолучевые эхолоты.
• Многолучевые эхолоты для разных задач.

4.1. Как работает эхолот?

Преобразователь излучает звуковой импульс. Приняв отражённый сигнал, система вычисляет расстояние до объекта по формуле: S = (v * t) / 2, где v — скорость звука в воде, t — время между отправкой и получением сигнала.