在组件级别研究声呐系统

2014年 6月 26日

声音导航测距(SoNaR,更常见的是用小写字母表示的 “sonar”)技术可用于水下探测和通讯。为改进声呐系统,需从组件级别优化设计。声呐的一个主要组件是电声换能器

声呐:声音导航测距

声呐技术主要用于探测水中物体相关的多种应用。具体应用包括绘制海图的海底部分、寻找危险物体或失踪物体、与其他船只通讯、探测敌军潜艇以及航海导航(海上及水下导航)等等。

拖曳声呐图片
拖曳声呐。图片来源:http://www.netmarine.net/,通过 Wikipedia共享。

最近的一个真实案例就是 2014 年 4 月对马来西亚航空公司 370 航班进行的搜救。在使用其他搜寻方式数周之后,官方决定采用声呐来尝试定位失踪飞机。任何飞机的黑匣子都配备有水下定位信标,也正是这个原因促使官方决定采用声呐进行搜救。搜救团队的声呐的确检测到了信号,但不幸的是,无法确认这些信号来自 370 航班。

声呐的工作原理

声呐分为两种:主动声呐和被动声呐。主动声呐是指自身可以发射声波,然后“听到”回波的一种声呐装置。电脉冲发生的声信号通过换能器中心的压电或磁致伸缩材料转换为声波。通过发射声波,然后等待回波,通过接收反射的信号或回波,主动声呐装置就能测量出目标物体的距离。

被动声呐仅接收其他物体或人发生的噪声,例如 370 航班定位信标发出的噪声。通过通过换能器中的压电或磁致伸缩设备将接收的声波转换为电信号,主动和被动声呐系统都能听到回波。

只有当声呐组件的性能良好时,声呐系统才能正常工作。负责发送和接收信号的组件是电声换能器。为提高效率,换能器通常排列成换能器阵。排列时有多种不同设计可供选择,包括蘑菇形换能器、环形换能器以及弯张换能器。在这里,我们重点探讨蘑菇形压电换能器。

蘑菇形压电换能器——声呐组件

蘑菇形压电换能器包含一系列有效的压电陶瓷环,堆叠在辐射头和重尾质量块之间。这一装配使换能器既能用作发射器,也能用作接收器。此外,中心螺栓还可能受到预应力的作用。

蘑菇形压电换能器模型
蘑菇形压电换能器。

设计考量

在设计蘑菇形压电换能器时,需要考虑以下几点。此设计基于声学和结构力学之间,以及压电和结构力学之间的多物理场耦合。我们要了解该装置如何变形以及在哪里施加应力;声压级与辐射压力场指什么;以及声束模式、发射电压响应 (TVR) 曲线和指向性指数 (DI)。

换能器建模

此组件涉及多个物理场,因此建议使用 COMSOL Multiphysics声学模块建模。声学模块附带声-压电相互作用,频域接口,包含换能器建模所需的所有多物理场耦合。

从模型库中打开已求解的蘑菇形压电换能器模型,研究螺栓上未施加预应力时换能器的性能。以下绘制了四幅最重要的图。

注:我的同事 Mads Herring Jensen 最近更新了 COMSOL Multiphysics 4.4 的模型文件。从模型库可以下载模型的 MPH 文件及对应的 PowerPoint® 演示。

通过 COMSOL Multiphysics 生成的显示换能器发射压力响应的绘图
换能器的灵敏度或更确切地说是 TVR(发射电压响应曲线)在 1-40kHz 范围内的绘图。

 

为获得所有模拟频率,我们在换能器前方 10 米处评估换能器的指向性(显示为一个三维极坐标图)。归一化的指向性如下图所示。

换能器空间灵敏度绘图
图中,换能器的空间灵敏度显示在 xz 平面上距换能器 10 米处。前部的模式归一化为 0 分贝。在任何距离对这一数据进行评估都是一个很简单的后处理操作。基于远场数据,还可以轻松计算出指向性指数 (DI)。以上这些就是对模型进行的操作。

描述换能器声学阻抗的绘图
换能器表面的具体声学阻抗。

结束语

根据绘图结果,我们可以看到换能器非常全能。这是因为,我们可以控制其指向性(指向性指数变化范围:-4 分贝 – 11 分贝),因为发射电压响应在 10-30 kHz 的频率范围内几乎恒定。

编者按:以上部分于 2016 年 4 月 13 日更新,以与教学模型中更正的指向性指数相一致。

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