Un transductor que convierte las señales acústicas en señales eléctricas, utilizado para recibir señales acústicas en el agua, se denomina transductor receptor, y a menudo se llama hidrófono. Los hidrófonos se utilizan ampliamente en la comunicación submarina, la exploración de la isla, el posicionamiento de objetivos, el seguimiento, etc., y son componentes importantes del sonar. La detección subacuática, la identificación, la comunicación y el desarrollo de la vigilancia del medio ambiente marino y los recursos marinos son inseparables del sonido del agua Transductor.
Un transductor acústico submarino es un dispositivo que convierte las señales eléctricas en señales acústicas submarinas o convierte las señales acústicas submarinas en señales eléctricas. Su posición en el sonar es similar a la de las antenas en los equipos de radio. Transmite y recibe ondas sonoras bajo el agua. Dispositivo acústico. Un transductor que convierte las señales eléctricas en señales acústicas subacuáticas se utiliza para irradiar las ondas sonoras en el agua, lo que se denomina transductor transmisor. Un transductor que convierte las señales acústicas en señales eléctricas, utilizado para recibir señales acústicas en el agua, se denomina transductor receptor, y suele llamarse hidrófono. Según la diferencia en el principio de funcionamiento, el principio de conversión de energía, las características y la estructura, hay hidrófonos de presión sonora, de velocidad de vibración, no direccionales, puntuales, piezoeléctricos, magnetostrictivos, eléctricos (bobina móvil), etc. Los hidrófonos y los micrófonos tienen muchas similitudes en cuanto a su principio y rendimiento. Sin embargo, debido a las diferencias en los medios sonoros, los hidrófonos deben tener una estructura sólida y estanca y deben estar fabricados con cables impermeables con materiales anticorrosivos. Los hidrófonos de presión acústica detectan las señales sonoras subacuáticas y los cambios de presión acústica del ruido y producen una salida de tensión proporcional a la presión acústica. El hidrófono de presión acústica es un dispositivo indispensable en la medición acústica subacuática, y es la parte central del sistema de sonar pasivo. Según los diferentes materiales sensibles utilizados, los hidrófonos de presión acústica pueden dividirse en: hidrófonos de presión acústica de cerámica piezoeléctrica, hidrófonos de presión acústica de PVDF, hidrófonos de presión acústica de compuesto piezoeléctrico e hidrófonos de presión acústica de fibra óptica. En el campo de la acústica submarina, los sensores se denominan generalmente transductores, y los transductores receptores incluyen principalmente sensores escalares y sensores vectoriales, también llamados hidrófonos escalares e hidrófonos vectoriales. En la medición del campo sonoro, el método tradicional es utilizar un hidrófono escalar (hidrófono de presión sonora), que sólo puede medir parámetros escalares en el campo sonoro. Los hidrófonos escalares típicos, como la serie 810X de las empresas B & K, se utilizan a menudo como estándares de hidrófonos. El hidrófono vectorial puede medir los parámetros vectoriales en el campo sonoro, y su aplicación es útil para obtener la información vectorial del campo sonoro, que es de gran importancia para la expansión de la función del dispositivo de sonar. En los medios continuos, el estado de movimiento cerca de cualquier punto puede expresarse mediante la presión, la densidad y la velocidad del medio. En diferentes lugares del campo sonoro, estas magnitudes físicas tienen valores diferentes y presentan una variabilidad espacial. Además, para un mismo punto de coordenadas espaciales, estas magnitudes cambian con el tiempo y tienen variabilidad temporal. Por lo tanto, las magnitudes acústicas que describen el campo sonoro, la presión sonora, la velocidad de las partículas y la compresión son funciones del tiempo y del espacio. En un fluido ideal, no hay tensión de corte, por lo que la presión sonora es escalar y la velocidad de las partículas es vectorial. Los parámetros escalares y vectoriales incluyen una gran cantidad de información sobre el campo sonoro. En el proceso de medición del campo sonoro, no basta con medir únicamente el parámetro de presión sonora. La medición simultánea de la información escalar y la información vectorial, es decir, la presión sonora y la velocidad de las partículas, puede obtener una información completa del campo sonoro. De este modo, puede ayudar al sistema de procesamiento de señales a obtener información más valiosa y a realizar juicios correctos. Por ejemplo: el sistema de procesamiento de información conjunta que utiliza un nuevo sensor de combinación (presión sonora y velocidad de vibración) tiene una mejor capacidad de detección de interferencias y espectros de línea que el sistema tradicional de procesamiento de información de presión sonora pura; un único sensor de combinación a pequeña escala pasa por la articulación Con el procesamiento de la señal, se puede realizar una estimación conjunta de la presión sonora y la velocidad de vibración del acimut del objetivo. Además, desde la perspectiva de la detección de energía, el uso de hidrófonos vectoriales mejora la capacidad del sistema para resistir el ruido isotrópico, y puede realizar el reconocimiento de varios objetivos en el campo lejano. El trabajo de investigación de los hidrófonos vectoriales ha recibido una gran atención. Por lo tanto, la detección de información múltiple, incluida la información vectorial, es una tendencia de desarrollo de los sistemas de sonar, y es cada vez más valorada por diversas potencias navales. Con el continuo desarrollo de la tecnología, se necesitan cada vez más requisitos técnicos. Para satisfacer las necesidades de la construcción de estaciones costeras, sirve el sistema de sonar de alerta temprana de la costa para lograr la detección e identificación a distancia, y las capacidades de detección de baja frecuencia son cada vez más importantes. Además, debido a la aparición de submarinos de propulsión nuclear y a la adopción generalizada de nuevas tecnologías, como el sigilo de los submarinos, las cuestiones antisubmarinas han recibido una atención sin precedentes por parte de varios países. Un método eficaz es recurrir a la prueba del ruido de baja frecuencia de la hélice. El ruido intrínseco de los submarinos y buques silenciosos está en la banda de baja frecuencia, lo que requiere un hidrófono vectorial de baja frecuencia. Es decir, se requiere que el transductor de detección tenga una capacidad de detección de baja frecuencia. Los detectores vectoriales tridimensionales de baja frecuencia se han convertido en un nuevo requisito técnico. Se espera que el desarrollo exitoso de tales hidrófonos vectoriales de baja frecuencia resuelva el problema de la detección de señales de baja frecuencia transmitidas a largas distancias. Al mismo tiempo, a medida que la señal del objetivo se debilita, se hace urgente el problema de la detección de alta sensibilidad El hidrófono de fibra óptica es un dispositivo que utiliza la tecnología de la fibra óptica para detectar las ondas acústicas submarinas. En comparación con los hidrófonos piezoeléctricos tradicionales, tiene una sensibilidad extremadamente alta, un rango dinámico suficientemente grande, una resistencia esencial a las interferencias electromagnéticas y no requiere adaptación de impedancia. El peso ligero del «extremo húmedo» del sistema y la arbitrariedad de la estructura, etc., son suficientes para hacer frente a los desafíos de la mejora continua de la tecnología de silenciamiento submarino, y cumplir con los requisitos de las estrategias antisubmarinas de los países desarrollados. .
Principio de los hidrófonos
Los hidrófonos de fibra óptica pueden dividirse en tipo de interferencia, tipo de intensidad y tipo de rejilla según el principio. La tecnología clave de los hidrófonos de fibra óptica de interferencia se ha desarrollado y madurado gradualmente, y se han formado productos en algunos campos, y los hidrófonos de rejilla de fibra son los puntos calientes actuales de los hidrófonos de fibra óptica. El hidrófono de rejilla de fibra se basa en el principio de que la longitud de onda resonante de la rejilla se mueve con el cambio de los parámetros externos. Los hidrófonos de rejilla de fibra se basan generalmente en estructuras de rejilla de Bragg de fibra, como se muestra en la figura 1. Hidrófono de fibra óptica figura 1 Cuando la luz de salida de una fuente de luz de banda ancha (BBS) pasa a través de una rejilla de Bragg de fibra (CFBG), según la teoría de acoplamiento de modos, se puede saber que la longitud de onda cumple la condición de Bragg: Las ondas de luz se reflejarán, y las restantes longitudes de onda se transmitirán. Donde Es la longitud de onda de acoplamiento resonante del FBG, es decir, la longitud de onda de reflexión central, Es el índice de refracción efectivo del núcleo, y n es el paso de la rejilla. Cuando la tensión alrededor de la rejilla de detección cambia con la presión acústica en el agua, causará O n cambios, resultando en un correspondiente desplazamiento de la longitud de onda de reflexión central de la rejilla de detección, la cantidad de desplazamiento es Se determina que la modulación de la longitud de onda de la luz de la señal reflejada por la presión acústica subacuática se logra. Por lo tanto, mediante la detección del desplazamiento de la longitud de onda de reflexión central en tiempo real, y luego de acuerdo con la relación lineal entre cada parámetro y la presión acústica, se puede obtener la información del cambio de la presión acústica.
Características del hidrófono
(1) Características de bajo ruido. Los hidrófonos de fibra óptica se construyen utilizando principios ópticos y tienen una alta sensibilidad. Debido a sus características de bajo ruido propio, la señal mínima detectable es de 2 a 3 órdenes de magnitud superior a la de los hidrófonos piezoeléctricos tradicionales, lo que hace posible la detección de señales débiles. (2) Gran rango dinámico. El rango dinámico de los hidrófonos piezoeléctricos es generalmente de 80-90dB, mientras que el rango dinámico de los hidrófonos de fibra óptica puede ser de 120-140dB. (3) Gran resistencia a las interferencias electromagnéticas y a la diafonía de la señal. Los hidrófonos de fibra óptica utilizan la luz como portadora para la detección y transmisión de la señal. La influencia de la interferencia electromagnética por debajo de unos cientos de megahercios es muy pequeña, y la diafonía de la señal de cada canal también es muy pequeña. (4) Adecuado para la transmisión a larga distancia y el array. La pérdida de transmisión de la fibra óptica es pequeña, adecuada para la transmisión a larga distancia. Los hidrófonos de fibra óptica se multiplexan mediante técnicas de división de frecuencias, división de ondas y división de tiempos, lo que resulta adecuado para los conjuntos a gran escala de matrices submarinas. (5) La detección y la transmisión de la señal están integradas para mejorar la fiabilidad del sistema. El láser es emitido por la fuente de luz, se transmite al hidrófono de fibra óptica a través de la fibra óptica y, tras captar la señal acústica, se transmite de vuelta al equipo de procesamiento de señales en tierra o en el barco a través de la fibra óptica. No hay equipos electrónicos bajo el agua. Además, la fibra óptica tiene pocos requisitos de estanqueidad, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión, lo que mejorará en gran medida la fiabilidad del sistema. (6) Se reducen las condiciones de aplicación de la ingeniería. El sistema de sonar que utiliza hidrófonos totalmente de fibra óptica, los cables de detección y los cables de transmisión son todos cables ópticos, de peso ligero y tamaño reducido, y el sistema es fácil de retraer, lo que imposibilita la aplicación de soluciones en el pasado, especialmente para los conjuntos remolcados. Reduce y simplifica muchos problemas.
Aplicación de los hidrófonos
Las principales aplicaciones militares de los hidrófonos de fibra óptica incluyen: matrices remolcadas de hidrófonos de fibra óptica, sistemas de monitoreo acústico submarino de fibra óptica, matrices conformadas de hidrófonos de fibra óptica para submarinos y buques de superficie, hidrófonos de gradiente de fibra de frecuencia ultra baja, medición de ruido en ambientes marinos y submarinos silenciosos. El hidrófono vectorial de fibra óptica de velocidad de vibración puede detectar su pico de ruido «infrasónico», y es adecuado para el sonar de la guardia costera después de la formación de matrices, la detección de submarinos silenciosos y la alerta temprana de tsunamis. Presenta ventajas técnicas como la facilidad de multiplexación de unidades, la capacidad de trabajo eléctrico pasivo y la gran capacidad de transmisión de señales a larga distancia. La tecnología de hidrófono de fibra óptica de estructura microóptica graba directamente el sensor en la fibra óptica. Tiene las ventajas de su pequeño tamaño, fácil multiplexación por división de longitudes de onda, proceso de fabricación relativamente sencillo y rendimiento fiable. Es adecuado para los sistemas de defensa y seguridad marítima a gran escala en tierra y para el arreglo de sonido en barcos, el arreglo de monitoreo de ruido marino y otras aplicaciones, especialmente las aplicaciones de arreglo de arrastre de hidrófonos.
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