Изучение сонарных систем на компонентном уровне

Fanny Griesmer 26/06/2014
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Англоязычный акроним “sonar” представляет собой, сокращенную запись словосочетания — Sound Navigation and Ranging: SoNaR, — что в переводе означает: Звуковая Навигация и Локация. Сонарные технологии и устройства активно используются в гидроакустике для исследования окружающей среды и зондирования водного пространства. Сердцем любой сонарной системы является электроакустический преобразователь. Поэтому прежде чем заниматься усовершенствованием системы целиком, необходимо сначала улучшить непостредственно конструкцию преобразователя.

Гидролокация: Звуковая Навигация и Локация

Гидролокационные сонарные технологии используются всюду, где требуется обнаружение объектов в водной среде. Однако существуют и специфические области применения, такие как картографирование океанского дна для морских карт, поиск опасных и потерянных предметов (например, затонувших кораблей с ценным и/или опасным грузом), средства коммуникации с другими судами, обнаружение вражеских подводных лодок, морская навигация (и над-, и подводная) и многое другое.

Фотография буксируемого сонара
Буксируемая сонарная система. Изображение предоставлено: http://www.netmarine.net/ via Wikipedia.

Недавним примером из реальной жизни является компания по поиску Рейса 370 Малайзийских Авиалиний (Malaysia Airlines) в апреле этого года. После недель, потраченных на применение других поисковых методов, должностные лица решили использовать сонар, чтобы попытаться обнаружить пропавший самолет. Именно по этой веской причине (с этой целью), черный ящик любого самолета оснащается подводным радиобуем. Сонар поисковой команды обнаружил сигналы, но, к сожалению, они не смогли подтвердить или опровергнуть, что они пришли от бортовых самописцев Рейса 370 (до окончательной разрядки их источников питания).

Как Работает Сонар

Существует два типа сонаров: активные и пассивные. Активный сонар означает, что гидролокатор сам по себе может излучать звуковые волны, после чего “слушает эфир” в ожидании эха от вернувшегося сигнала. Звуковые сигналы создаются электрическими импульсами, которые преобразуются в звук при помощи пьезоэлектрического или магнитострикционного материала, из которого состоит основа преобразователя. Передав звук, сонар переходит в режим активного ожидания его возвращения и, в конечном итоге, дождавшись получения сигнала или, точнее, эха отраженного звука, устройство может определить по времени задержки, насколько далеко от него находится объект.

Пассивный сонар просто включает режим прослушивания звуков, производимых другими объектами или существами, такими как радиомаяки в случае Рейса 370. Обе гидроакустические системы, и пассивная и активная, способны улавливать поступающие звуки, опять же с помощью пьезоэлектрического или магнитострикционного материала в преобразователе, переводя их в форму электрических сигналов.

Качество гидроакустической системы определяется качеством входящих в него компонентов. Компонентом, отвечающим за прием и передачу сигналов, является электроакустический преобразователь. Для большей эффективности, множество этих преобразователей зачастую объединяют в массивы. Что касается конструкции преобразователя, то тут есть из чего выбирать: от преобразователей типа Tonpilz (нем. термин: акустический или звуковой гриб — названный так из-за своей формы) до кольцевых и гибконапряженных преобразователей. Нашим выбором, в данной работе, является пьезопреобразователь типа Tonpilz.

Компонент Сонара — Пьезо Преобразователь Tonpilz

Пьезопреобразователь типа Tonpilz содержит стек активных пьезокерамических колец, уложенных одно поверх другого, который зажат между массивной хвостовой частью и шляпкой из более легкого материала, закрепленных на осевом стержне. Такая компоновка позволяет преобразователю выступать в качестве либо источника, либо приемника. Кроме этого, он может находиться в предварительно напряженном состоянии, что регулируется с помощью центрального болта.

Модель пьезопреобразователя tonpilz
Пьезопреобразователь tonpilz.

Предварительные Замечания (к Проектированию)

При проектировании пьезопреобразователя типа Tonpilz, необходимо обратить внимание на несколько моментов. Проектирование базируется на стыке нескольких дисциплин: взаимосвязи между акустикой и механикой сплошных сред, а также между пьезоэлектричеством и механикой сплошных сред. Мы хотим понять, какие и где именно, деформации и напряжения испытывает устройство; каков уровень звукового давления при приеме сигнала и давления излучаемого поля; а также определить форму звукового луча, частотную зависимость чувствительности электроакустического преобразователя по напряжению (transmitting voltage response — TVR), и показатель направленности (directivity index — DI).

Моделирование Преобразователя

Из-за междисциплинарной природы физических процессов, лежащих в основе работы преобразователя, его моделирование возможно только с использованием специальных средств, таких как программный комплекс COMSOL Multiphysics и Модуль Акустика в ее составе. С модулем Акустика поставляется интерфейс Акусто-Пьезоэлектрическое Взаимодействие, Частотная Область, который содержит все необходимые мультифизические связи для моделирования преобразователя.

Если мы откроем решенную модель Пьезо Преобразователя типа Tonpilz из Галереи приложений, то мы сможем изучить функционирование преобразователя с незатянутым регулировочным болтом в положении, соответствующем ненапряженному состоянию. Ниже, представлены четыре наиболее важных графика, характеризующих преобразователь.

Примечание: Мой коллега Мадс Херринг Йенсен (Mads Herring Jensen) недавно обновил файлы модели до версии COMSOL Multiphysics 4.4. Они доступны в Галереи Моделей для тех из вас, кто хочет скачать МРН-файл модели и сопутствующую презентацию в PowerPoint®.

График полученный в среде COMSOLMultiphysics, показывающий чувствительность преобразователя по напряжению (TVR)
Чувствительность преобразователя по напряжению (Transmitting Voltage Response — TVR), построенная в интервале между 1 и 40 кГц.

 


Направленность преобразователя (изображенная в виде 3D графика в полярной системе координат) рассчитанная для расстояния 10 м по фронту преобразователя для всех моделируемых частот. Нормированная направленность показана на рисунке ниже.

График пространственной чувствительности преобразователя
На данном графике, показана пространственная чувствительность преобразователя на расстоянии 10 м в xz-плоскости. Диаграммы направленности нормированы на величину 0 dB по фронту от преобразователя. Оценка этих данных для любого расстояния — простая задача постобработки результатов. На основе данных в дальней зоне излучения, вы также можете легко рассчитать показатель направленности, что проделано в модели.

График показывающий акустический импеданс преобразователя
Удельное акустическое сопротивление на поверхности преобразователя.

Заключение

Из представленных графических результатов, можно сделать вывод, что преобразователь является достаточно универсальным в том смысле, что его можно применять при конструировании гидроакустических систем самого различного назначения. Это возможно потому, что мы можем контролировать его направленность (изменение показателя направленности от -4 дБ до +11 дБ) с учетом того, что TVR остается практически постоянной в интервале частот от 10 до 30 кГц.

От редактора: Значения выше были исправлены 13/04/2016 в соответствии с учебной моделью.

Дополнительные Источники


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Трассировка частиц Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта