مطالعه سیستم های سونار در سطح جزء

فناوری Sound Navigation and Ranging (SoNaR که معمولاً با حروف کوچک به عنوان “سونار” نوشته می شود) را می توان برای بررسی و برقراری ارتباط در زیر آب استفاده کرد. برای بهبود سیستم سونار، باید طراحی را در سطح جزء بهینه کنید. یکی از اجزای اصلی سونار مبدل الکتروآکوستیک است .

سونار: ناوبری و محدوده صدا

فناوری سونار را می توان برای کاربردهای مختلف با هدف اصلی تشخیص اجسام در آب استفاده کرد. برخی از کاربردهای خاص عبارتند از نقشه برداری از کف اقیانوس برای نمودارهای دریایی ، یافتن اشیاء خطرناک یا گمشده، ارتباط با کشتی های دیگر، شناسایی زیردریایی های دشمن، پیمایش در دریاها (هم در زیر آب و هم در زیر آب) و غیره.

عکس سونار بکسل شده
سونار بکسل شده. اعتبار تصویر: http://www.netmarine.net/ از طریق ویکی پدیا .

یک مثال اخیر در دنیای واقعی، تلاش برای جستجوی پرواز 370 خطوط هوایی مالزی در آوریل امسال است. پس از هفته‌ها استفاده از روش‌های جستجوی دیگر، مقامات تصمیم گرفتند از سونار برای یافتن هواپیمای مفقود شده استفاده کنند. جعبه سیاه هر هواپیما به همین دلیل مجهز به چراغ های مکان یاب زیر آب است. سونار تیم جستجو سیگنال‌ها را شناسایی کرد، اما متأسفانه نتوانستند تأیید کنند که آنها از پرواز 370 آمده‌اند.

سونار چگونه کار می کند

دو نوع سونار وجود دارد: فعال و غیرفعال. سونار فعال به این معنی است که دستگاه سونار خودش می تواند صداهایی تولید کند و سپس برای بازگشت اکو “گوش دهد”. سیگنال های صوتی از پالس های الکتریکی ایجاد می شوند که از طریق مواد پیزوالکتریک یا مغناطیسی در مرکز مبدل به صدا تبدیل می شوند. با انتقال صدا و سپس به طور فعال منتظر بازگشت آن و در نهایت دریافت سیگنال یا پژواک که به عقب باز می گردد، دستگاه می تواند میزان فاصله شی مورد نظر را اندازه گیری کند.

سونار غیرفعال به سادگی شامل گوش دادن به صداهای ایجاد شده توسط اشیا یا موجودات دیگر است، مانند چراغ های مکان یاب در مورد پرواز 370. هر دو سیستم سونار غیرفعال و فعال می توانند با تبدیل آنها به سیگنال های الکتریکی، دوباره از طریق پیزوالکتریک، به صداهای دریافتی گوش دهند. یا مواد مغناطیسی در مبدل.

عملکرد سونار فقط به خوبی اجزای آن است. جزء مسئول ارسال و دریافت سیگنال، مبدل الکتروآکوستیک است . برای کارایی، اغلب تعداد زیادی از این مبدل ها را خواهید داشت که در آرایه ها مرتب شده اند. طرح های مختلفی برای انتخاب وجود دارد، از جمله مبدل های tonpilz، حلقه و انعطاف پذیر. در اینجا، ما بر روی مبدل پیزو tonpilz تمرکز خواهیم کرد.

مبدل پیزو Tonpilz، یک قطعه سونار

یک مبدل پیزو tonpilz حاوی مجموعه‌ای از حلقه‌های پیزوسرامیک فعال در بین یک سر سبک و توده دم سنگین است. این مجموعه به مبدل اجازه می دهد تا به عنوان منبع یا گیرنده عمل کند. علاوه بر این، می توان آن را توسط یک پیچ مرکزی پیش تنید کرد.

مدل مبدل پیزو tonpilz
مبدل پیزو Tonpilz.

ملاحظات طراحی

هنگام طراحی مبدل tonpilz، باید چندین عنصر را در نظر بگیرید. این طراحی بر اساس کوپلینگ های چندفیزیکی بین آکوستیک و مکانیک سازه و همچنین پیزوالکتریک و مکانیک سازه است. ما می‌خواهیم بفهمیم که دستگاه چگونه تغییر شکل می‌دهد و تنش‌ها کجاست. سطح فشار صوت و میدان فشار تشعشعی چقدر است. و الگوی پرتو صدا، منحنی پاسخ ولتاژ ارسال (TVR) و شاخص جهت دهی (DI).

مدل سازی مبدل

با توجه به ماهیت چندفیزیکی مولفه، پیشنهاد می‌کنم آن را با استفاده از COMSOL Multiphysics و ماژول آکوستیک مدل‌سازی کنید . ماژول آکوستیک دارای رابط تعاملی آکوستیک-پیزوالکتریک، دامنه فرکانس است که شامل تمام کوپلینگ‌های چندفیزیکی لازم برای مدل‌سازی مبدل است.

اگر مدل حل شده Tonpilz Piezo Transducer را از Application Gallery باز کنیم، می توانیم عملکرد مبدلی را با پیچی که پیش تنیده نیست مطالعه کنیم. در زیر چهار مورد از مهم ترین طرح ها را مشاهده می کنید.

توجه: همکار من Mads Herring Jensen اخیراً ورودی مدل را با فایل‌هایی برای COMSOL Multiphysics 4.4 به‌روزرسانی کرده است. برای کسانی از شما که می‌خواهید فایل MPH مدل و ارائه PowerPoint® همراه آن را دانلود کنید، در گالری برنامه موجود است.

نمودار تولید شده با COMSOL Multiphysics که پاسخ ولتاژ انتقال مبدل را نشان می دهد
حساسیت، یا بهتر است بگوییم پاسخ ولتاژ ارسال (TVR)، مبدل بین 1 تا 40 کیلوهرتز رسم شده است.

جهت مبدل (به عنوان یک نمودار قطبی سه بعدی نشان داده شده است) در فاصله 10 متری جلوی مبدل برای همه فرکانس های مدل شده ارزیابی می شود. جهت نرمال شده در شکل زیر نشان داده شده است.

نمودار حساسیت فضایی مبدل

در اینجا، حساسیت فضایی مبدل در صفحه xz در فاصله 10 متر نشان داده شده است. الگوها در جلو به 0 دسی بل نرمال می شوند. ارزیابی این داده ها در هر فاصله دلخواه یک کار پس پردازش ساده است. بر اساس داده های میدان دور، می توانید به راحتی DI را نیز محاسبه کنید. این کار در مدل انجام می شود.

طرحی که امپدانس صوتی مبدل را نشان می دهد
امپدانس صوتی خاص در سطح مبدل.

نتیجه

از رسم نتایج، می‌توان نتیجه گرفت که مبدل بسیار متنوع است. این به این دلیل است که با توجه به اینکه TVR در محدوده فرکانس 10 تا 30 کیلوهرتز تقریباً ثابت است، می توانیم جهت آن را کنترل کنیم (شاخص مستقیم را از 4- تا 11 دسی بل تغییر می دهیم).

یادداشت ویرایشگر: بخش بالا در تاریخ 13/4/2016 به‌روزرسانی شد تا مقادیر شاخص مستقیم درست را برای مدل آموزشی منعکس کند.