Ein Wandler, der akustische Signale in elektrische Signale umwandelt und dazu dient, akustische Signale im Wasser zu empfangen, wird als Empfangswandler bezeichnet und oft als Hydrofon bezeichnet. Hydrofone finden breite Anwendung in der Unterwasserkommunikation, der Erforschung der Insel, der Zielortung, der Verfolgung usw. und sind wichtige Bestandteile des Sonars. Unterwasser-Erkennung, Identifizierung, Kommunikation und Entwicklung von Meeresumweltüberwachung und Meeresressourcen sind untrennbar mit Wasserschallwandlern verbunden.
Ein Unterwasserschallwandler ist ein Gerät, das elektrische Signale in akustische Unterwassersignale umwandelt oder akustische Unterwassersignale in elektrische Signale umwandelt. Seine Position im Sonargerät ist vergleichbar mit der von Antennen in Funkgeräten. Er sendet und empfängt Schallwellen unter Wasser. Akustisches Gerät. Ein Wandler, der elektrische Signale in akustische Unterwassersignale umwandelt, wird verwendet, um Schallwellen in das Wasser auszustrahlen, was als Sendewandler bezeichnet wird. Ein Wandler, der akustische Signale in elektrische Signale umwandelt und dazu dient, akustische Signale im Wasser zu empfangen, wird als Empfangswandler bezeichnet und oft als Hydrofon bezeichnet. Entsprechend den Unterschieden in der Funktionsweise, dem Energieumwandlungsprinzip, den Eigenschaften und der Struktur gibt es Hydrophone wie Schalldruck-, Schwinggeschwindigkeits-, ungerichtete, gerichtete, piezoelektrische, magnetostriktive, elektrische (Drehspule) und so weiter. Hydrofone und Mikrofone haben viele Ähnlichkeiten im Prinzip und in der Leistung. Aufgrund der unterschiedlichen Schallmedien müssen Hydrofone jedoch eine solide, wasserdichte Struktur haben und aus dichten Kabeln mit korrosionsbeständigen Materialien bestehen. Schalldruckhydrophone erfassen Unterwasserschallsignale und Schalldruckänderungen und erzeugen eine zum Schalldruck proportionale Spannung. Das Schalldruckhydrofon ist ein unverzichtbares Gerät für die akustische Unterwassermessung und das Kernstück eines passiven Sonarsystems. Je nach den verwendeten empfindlichen Materialien lassen sich Schalldruckhydrofone in folgende Kategorien unterteilen: piezoelektrische Keramik-Schalldruckhydrofone, PVDF-Schalldruckhydrofone, piezoelektrische Komposit-Schalldruckhydrofone und Glasfaser-Schalldruckhydrofone. In der Unterwasserakustik werden Sensoren im Allgemeinen als Wandler bezeichnet, und zu den Empfangswandlern gehören vor allem Skalarsensoren und Vektorsensoren, auch Skalar- und Vektorhydrofone genannt. Bei der Schallfeldmessung wird traditionell ein skalares Hydrofon (Schalldruckhydrophon) verwendet, das nur skalare Parameter im Schallfeld messen kann. Typische skalare Hydrophone wie die 810X-Serie der Firma B & K werden häufig als Standardhydrophone verwendet. Das Vektorhydrophon kann die Vektorparameter im Schallfeld messen, und seine Anwendung ist hilfreich, um die Vektorinformationen des Schallfeldes zu erhalten, was von großer Bedeutung für die Funktionserweiterung des Sonargeräts ist. In kontinuierlichen Medien kann der Bewegungszustand in der Nähe eines beliebigen Punktes durch Druck, Dichte und Mediengeschwindigkeit ausgedrückt werden. An verschiedenen Stellen des Schallfeldes haben diese physikalischen Größen unterschiedliche Werte und sind räumlich variabel. Außerdem ändern sich diese Größen für denselben räumlichen Koordinatenpunkt mit der Zeit und weisen eine zeitliche Variabilität auf. Daher sind die akustischen Größen, die das Schallfeld, den Schalldruck, die Teilchengeschwindigkeit und die Kompression beschreiben, alle Funktionen von Zeit und Raum. In einer idealen Flüssigkeit gibt es keine Scherspannung, so dass der Schalldruck skalar und die Partikelgeschwindigkeit vektoriell ist. Sowohl in den skalaren als auch in den vektoriellen Parametern sind umfangreiche Schallfeldinformationen enthalten. Bei der Schallfeldmessung reicht es nicht aus, nur den Schalldruckparameter zu messen. Durch die gleichzeitige Messung von skalaren und vektoriellen Informationen, d. h. von Schalldruck und Partikelgeschwindigkeit, können vollständige Schallfeldinformationen gewonnen werden. Auf diese Weise kann das Signalverarbeitungssystem wertvollere Informationen erhalten und korrekte Urteile fällen. Ein Beispiel: Das gemeinsame Informationsverarbeitungssystem, das einen neuen Kombinationssensor (Schalldruck und Schwinggeschwindigkeit) verwendet, verfügt über bessere Anti-Kohärenz-Interferenz- und Linienspektrums-Erkennungsfähigkeiten als das traditionelle reine Schalldruck-Informationsverarbeitungssystem; ein einziger kleiner Kombinationssensor durchläuft die Verbindung mit der Signalverarbeitung, so dass eine gemeinsame Schalldruck- und Schwinggeschwindigkeitsschätzung des Zielazimuts durchgeführt werden kann. Darüber hinaus verbessert die Verwendung von Vektorhydrophonen die Fähigkeit des Systems, isotropem Rauschen zu widerstehen, und ermöglicht die Erkennung mehrerer Ziele im Fernfeld. Die Forschungsarbeit von Vektorhydrophonen hat große Aufmerksamkeit erhalten. Daher ist die Erkennung von Mehrfachinformationen, einschließlich Vektorinformationen, ein Entwicklungstrend bei Sonarsystemen und wird von verschiedenen Seestreitkräften zunehmend geschätzt. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Technologie werden auch immer mehr technische Anforderungen gestellt. Um den Anforderungen des Baus von Landstationen gerecht zu werden, dient das Küstenfrühwarnsonarsystem der Ferndetektion und -identifikation, wobei die Fähigkeit zur Niederfrequenzdetektion immer wichtiger wird. Mit dem Aufkommen von U-Booten mit Nuklearantrieb und der weit verbreiteten Einführung neuer Technologien wie der Tarnkappe für U-Boote haben Fragen der U-Boot-Bekämpfung in verschiedenen Ländern eine noch nie dagewesene Aufmerksamkeit erhalten. Eine wirksame Methode ist die Prüfung des niederfrequenten Lärms des Propellers. Das Eigengeräusch leiser U-Boote und Schiffe liegt im Niederfrequenzbereich, so dass ein Niederfrequenz-Vektorhydrophon erforderlich ist. Das heißt, der Erfassungswandler muss eine niederfrequente Erfassungsfähigkeit haben. Niederfrequente dreidimensionale räumliche omnidirektionale Vektordetektoren sind zu einer neuen technischen Anforderung geworden. Es ist zu erwarten, dass die erfolgreiche Entwicklung solcher Niederfrequenz-Vektorhydrophone das Problem der Erkennung von Niederfrequenzsignalen lösen wird, die über große Entfernungen übertragen werden. Gleichzeitig wird das Problem der hochempfindlichen Detektion immer dringlicher, da das Zielsignal schwächer wird. Das faseroptische Hydrophon ist ein Gerät, das die Glasfasertechnologie zur Detektion akustischer Unterwasserwellen nutzt. Im Vergleich zu herkömmlichen piezoelektrischen Hydrophonen zeichnet es sich durch eine extrem hohe Empfindlichkeit, einen ausreichend großen Dynamikbereich, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und die Tatsache aus, dass keine Impedanzanpassung erforderlich ist. Das geringe Gewicht des „nassen Endes“ des Systems und die Beliebigkeit der Struktur usw. reichen aus, um die Herausforderungen der kontinuierlichen Verbesserung der U-Boot-Squelch-Technologie zu bewältigen und die Anforderungen der U-Boot-Abwehrstrategien der Industrieländer zu erfüllen. .
Hydrophonprinzip
Faseroptische Hydrophone können je nach Prinzip in Interferenz-, Intensitäts- und Gittertypen unterteilt werden. Die Schlüsseltechnologie der faseroptischen Interferenz-Hydrofone hat sich allmählich entwickelt und ausgereift, und in einigen Bereichen sind Produkte entstanden, und die faseroptischen Gitter-Hydrofone sind die aktuellen Hotspots der faseroptischen Hydrofone. Faser-Gitter-Hydrofone basieren auf dem Prinzip, dass sich die Resonanzwellenlänge des Gitters mit der Änderung der externen Parameter verändert. Faser-Gitter-Hydrofone basieren im Allgemeinen auf Faser-Bragg-Gitterstrukturen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1: Faseroptisches Hydrophon Wenn das Ausgangslicht einer Breitband-Lichtquelle (BBS) ein Faser-Bragg-Gitter (CFBG) durchläuft, kann man gemäß der Theorie der Modenkopplung davon ausgehen, dass die Wellenlänge die Bragg-Bedingung erfüllt: Die Lichtwellen werden zurückreflektiert, und die restlichen Wellenlängen werden übertragen. Dabei ist die resonante Kopplungswellenlänge des FBG, d. h. die zentrale Reflexionswellenlänge, der effektive Brechungsindex des Kerns und n der Gitterabstand. Wenn sich die Spannung um das Abtastgitter herum mit dem Schalldruck im Wasser ändert, führt dies zu einer Änderung von Or n, was zu einer entsprechenden Verschiebung der zentralen Reflexionswellenlänge des Abtastgitters führt, wobei der Verschiebungsbetrag Es wird festgestellt, dass die Wellenlängenmodulation des reflektierten Signallichts durch den Unterwasserschalldruck erreicht wird. Daher kann durch die Erfassung der mittleren Reflexionswellenlängenverschiebung in Echtzeit und dann entsprechend der linearen Beziehung zwischen jedem Parameter und dem Schalldruck die Information über die Schalldruckänderung erhalten werden.
Eigenschaften des Hydrophons
(1) Geräuscharm. Faseroptische Hydrophone sind nach optischen Prinzipien aufgebaut und haben eine hohe Empfindlichkeit. Aufgrund ihres geringen Eigenrauschens liegt das minimal erkennbare Signal um 2-3 Größenordnungen höher als bei herkömmlichen piezoelektrischen Hydrophonen, was die Erkennung schwacher Signale ermöglicht. (2) Großer dynamischer Bereich. Der Dynamikbereich von piezoelektrischen Hydrophonen beträgt im Allgemeinen 80-90 dB, während der Dynamikbereich von faseroptischen Hydrophonen 120-140 dB betragen kann. (3) Hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und Signalübersprechen. Glasfaser-Hydrofone verwenden Licht als Träger für die Erfassung und Übertragung von Signalen. Der Einfluss elektromagnetischer Interferenzen unter einigen hundert Megahertz ist sehr gering, und auch das Übersprechen der Signale der einzelnen Kanäle ist sehr gering. (4) Geeignet für Langstreckenübertragung und Array. Der Übertragungsverlust von Glasfasern ist gering und eignet sich für die Übertragung über große Entfernungen. Glasfaser-Hydrofone werden durch Frequenz-, Wellen- und Zeitmultiplexverfahren gemultiplext, was für große Arrays von Unterwasser-Arrays geeignet ist. (5) Signalerfassung und -übertragung sind integriert, um die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern. Der Laser wird von der Lichtquelle emittiert und über die Glasfaser an das faseroptische Hydrophon übertragen. Nachdem das akustische Signal aufgenommen wurde, wird es über die Glasfaser zurück an die Signalverarbeitungsgeräte an Land oder auf dem Schiff übertragen. Unter Wasser gibt es keine elektronischen Geräte. Darüber hinaus stellt der Lichtwellenleiter nur geringe Anforderungen an die Wasserdichtigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, was die Zuverlässigkeit des Systems erheblich verbessert. (6) Die technischen Anwendungsbedingungen sind geringer. Das Sonarsystem verwendet rein optische Glasfaser-Hydrophone, die Erkennungskabel und Übertragungskabel sind alle optische Kabel, leicht und klein, und das System ist leicht einziehbar, was es unmöglich macht, Lösungen in der Vergangenheit zu implementieren, insbesondere für geschleppte Arrays. Reduzieren und vereinfachen Sie viele Probleme.
Hydrophon-Anwendung
Die wichtigsten militärischen Anwendungen von Glasfaser-Hydrophonen umfassen: Ganzfaser-Hydrophon-Schlepp-Arrays, Ganzfaser-U-Boot-Akustiküberwachungssysteme, Ganzfaser-Leicht-U-Boote und Überwasserschiffe konforme Hydrophon-Arrays, Ultra-Niederfrequenz-Faser-Gradienten-Hydrophone, Meeresumgebungen Lärm und leise U-Boot-Lärm-Messung. Die optische Faser Vibrationsgeschwindigkeit Typ Vektor-Hydrophon kann seine „Infraschall“-Spitze Lärm zu erkennen, und es ist geeignet für Küstenwache Sonar nach Arraying, leise U-Boote und Tsunami-Frühwarnung zu erkennen. Es hat technische Vorteile, wie z.B. einfaches Multiplexing mehrerer Einheiten, die Fähigkeit, passiv elektrisch zu arbeiten, und starke Signalübertragungsfähigkeiten über große Entfernungen. Bei der mikrooptischen Struktur des faseroptischen Hydrophons wird der Sensor direkt in die optische Faser eingraviert. Die Vorteile liegen in der geringen Größe, der einfachen Wellenlängenmultiplexierung, dem relativ einfachen Herstellungsprozess und der zuverlässigen Leistung. Es eignet sich für groß angelegte landgestützte Meeresverteidigungs- und Sicherheitssysteme und Schiffsschall-Nano-Array, Meereslärmüberwachungs-Array und andere Anwendungen, insbesondere Hydrofon-Drag-Array-Anwendungen.
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